氣候模式50年：海洋和大氣過程能整在一起？

1967年，一篇經典論文在《大氣科學雜誌》上發表，與之一同問世的，還有第一個數學上可靠並首次產生物理真實結果的氣候模式，這為今天支持氣候研究的眾多模式奠定了基礎。

五十年前的6月，氣候模擬學者真鍋淑郎（Syukuro Manabe）和理查德·韋瑟爾德（Richard Wetherald）在《大氣科學雜誌》上發表了很可能是最偉大的一篇氣候科學論文《給定相對濕度分布的大氣熱平衡》。兩位作者基本終結了關於二氧化碳是否導致全球變暖的辯論，並建立了一個數學上可靠並首次產生物理真實結果的氣候模式。他們用輻射強迫——一種人類或自然變化導致地球能量平衡變化的量值——來理解氣候變化的歷史原因，這份工作衍生出現代氣候模式的發展。

氣候科學是門慢熱的學科。1861年物理學家約翰·廷達爾的工作就讓二氧化碳是一種溫室氣體這一事實為人所知。隨後化學家斯萬特·阿累尼烏斯在1896年，工程師蓋伊·斯圖爾特·卡倫達在1938年對二氧化碳的變暖效應進行了粗略的估計。但直到20世紀50年代，才有測量顯示大氣中的二氧化碳濃度正在上升。與此同時，「輻射傳輸」開始被人了解。輻射傳輸量化了太陽輻射和地球表面發射的紅外熱光譜如何被大氣中的氣體散射、吸收和再釋放，這是量化溫室氣體變暖效應的基礎。

1963年，真鍋的同事基於輻射傳輸科學的最新進展，針對二氧化碳全球變暖效應到底有多重要進行了研究。這項工作加上其他早期研究，正好合理估計了在氣候系統沒有以某種方式改變的情況下二氧化碳引起的變暖，但是沒有正確解釋系統將如何響應。特別是，他們沒能正確理解在變暖的世界中大氣水汽的分布將如何變化。

相比之下，真鍋和韋瑟爾德正確理解了這種水汽反饋的原理，並將其用於自己的一維輻射對流平衡模式。這個從前期工作中開發出來的模式，將大氣分為多個層，並用輻射和對流的組合，重新分配了從地表往上垂向各層間的能量。兩位作者基於他們的模型來估計二氧化碳濃度增加會發生的變暖。他們從這些結果中估算出，二氧化碳每翻一倍，將會發生約2.3℃的升溫——與現代估計相當一致。

事實上，真鍋和韋瑟爾德的論文的重心根本就不是二氧化碳和全球變暖。兩位研究者在新澤西州普林斯頓地球物理流體力學實驗室工作，該實驗室獲得了一台第一代商用計算機。真鍋被引進來開發世界第一個環流模式（一個以大氣和海洋循環數值描述為基礎的計算氣候模式），幾年後建立了第一個將海洋和大氣過程整合在一起的氣候模式。1967年的這篇論文描述了建立該模式的關鍵步驟：考慮到輻射傳輸、對流和水汽反饋，如何將不同層的大氣與地表最好聯繫起來。

這篇論文偉大的原因，不是因為它對二氧化碳引起變暖的估計，而是因為它是氣候建模研究良好實踐的例證。首先，基於一套明顯且合理的假設，它的結果是可重複的。例如，作者使用最新的水汽觀測來證實他們對相對濕度不會受到氣候變化影響的假設，然後用這個假設來模擬水汽反饋。其次，作者得到的模式包括足夠的物理過程細節，可以給出由幾種可能的人類或自然擾動（如太陽能量輸出、二氧化碳濃度和雲的變化）造成的地表和大氣溫度變化一級估計，但不會複雜到難以在早期電腦上運行，或者干擾對結果的解讀。此外，作者們的輻射對流模型完全符合目的。

然而，氣候科學家花了一段時間才對這篇文章產生熱情，而真鍋本人熱衷於給他的方法增加更高的複雜性，沒有再以這種方式使用他的1D輻射對流模型。真鍋和韋瑟爾德在1975年基於他們初出茅廬的環流模式成功重複計算結果，這個模式也可以解釋高緯度變暖，以及雪蓋和海冰的變化。

這個更為複雜的計算，在一定程度上建立了他們對基於1D輻射對流模型早期方法的信心，因此其他科學家開始使用這類模型來有效探究觀測到的二十世紀地表氣溫升高的多個可能原因。例如，1981年出版的一項研究得出結論，二十世紀的溫度變化可能是人為變化（土地利用和大氣溫室氣體濃度、臭氧和氣溶膠）和自然現象（太陽輻射變化和火山爆發）的雙重結果。這些工作促成了國際上對氣候變化的關切，最終在1988年，政府間氣候變化專門委員會得以成立。

真鍋和韋瑟爾德的遺贈既可以視為氣候模型日益複雜的正當理由，也可以作為簡單建模方法的巔峰。今天，輻射對流模型基本上被複雜的地球系統模式，或者被更簡單的概念如輻射強迫（上世紀70年代從上述輻射對流模擬實驗中開發）所取代，這很可惜。輻射對流模式是闡明關鍵氣候過程的一個優秀方法，仍然可以提供其他方法不能提供的有用見解，特別是雲在氣候中的不確定作用方面。五十年過去了，也許是他們重出江湖的時候了。

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作者｜皮爾斯·福斯特

（作者為物理氣候變化學教授，

利茲大學普里斯特利國際氣候中心主任）

文章來源｜中國氣象報

編譯｜田曉陽

圖片來源｜網路

責任編輯｜大淼

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