气候模式50年走向成熟

　　五十年前的6月，气候模拟学者真锅淑郎（Syukuro Manabe）和理查德·韦瑟尔德（Richard Wetherald）在《大气科学杂志》上发表了很可能是最伟大的一篇气候科学论文《给定相对湿度分布的大气热平衡》。两位作者基本终结了关于二氧化碳是否导致全球变暖的辩论，并建立了一个数学上可靠并首次产生物理真实结果的气候模式。他们用辐射强迫——一种人类或自然变化导致地球能量平衡变化的量值——来理解气候变化的历史原因，这份工作衍生出现代气候模式的发展。

　　气候科学是门慢热的学科。1861年物理学家约翰·廷达尔（John Tyndall）的工作就让二氧化碳是一种温室气体这一事实为人所知。随后化学家斯万特·阿累尼乌斯（Svante Arrhenius）在1896年，工程师盖伊·斯图尔特·卡伦达（Guy Stewart Callendar）在1938年对二氧化碳的变暖效应进行了粗略的估计。但直到20世纪50年代，才有测量显示大气中的二氧化碳浓度正在上升。与此同时，“辐射传输”开始被人了解。辐射传输量化了太阳辐射和地球表面发射的红外热光谱如何被大气中的气体散射、吸收和再释放，这是量化温室气体变暖效应的基础。

　　1963年，真锅的同事基于辐射传输科学的最新进展，针对二氧化碳全球变暖效应到底有多重要进行了研究。这项工作加上其他早期研究，正好合理估计了在气候系统没有以某种方式改变的情况下二氧化碳引起的变暖，但是没有正确解释系统将如何响应。特别是，他们没能正确理解在变暖的世界中大气水汽的分布将如何变化。

　　相比之下，真锅和韦瑟尔德正确理解了这种水汽反馈的原理，并将其用于自己的一维辐射对流平衡模式。这个从前期工作中开发出来的模式，将大气分为多个层，并用辐射和对流的组合，重新分配了从地表往上垂向各层间的能量。两位作者基于他们的模型来估计二氧化碳浓度从150ppm增加到300ppm，以及从300ppm增至600ppm会发生的变暖。他们从这些结果中估算出，二氧化碳每翻一倍，将会发生约2.3℃的升温——与现代估计相当一致。

　　事实上，真锅和韦瑟尔德的论文的重心根本就不是二氧化碳和全球变暖。两位研究者在新泽西州普林斯顿地球物理流体力学实验室工作，该实验室获得了一台第一代商用计算机。真锅被引进来开发世界第一个环流模式（一个以大气和海洋循环数值描述为基础的计算气候模式），几年后建立了第一个将海洋和大气过程整合在一起的气候模式。1967年的这篇论文描述了建立该模式的关键步骤：考虑到辐射传输、对流和水汽反馈，如何将不同层的大气与地表最好联系起来。

　　这篇论文在我心目中达到伟大的位置，不是因为它对二氧化碳引起变暖的估计，而是因为它是气候建模研究良好实践的例证。首先，基于一套明显且合理的假设，它的结果是可重复的。例如，作者使用最新的水汽观测来证实他们对相对湿度不会受到气候变化影响的假设，然后用这个假设来模拟水汽反馈。其次，作者得到的模式包括足够的物理过程细节，可以给出由几种可能的人类或自然扰动（如太阳能量输出、二氧化碳浓度和云的变化）造成的地表和大气温度变化一级估计，但不会复杂到难以在早期电脑上运行，或者干扰对结果的解读。此外，作者们的辐射对流模型完全符合目的。

　　真锅和韦瑟尔德的论文的全面性甚至使很多后续工作蒙羞：论文对于超音速飞机影响上层大气温度与二氧化碳影响地球表面同样关注。这也是第一篇发现二氧化碳不仅暖化了地球表面，还冷却了平流层的文章——尽管两位作者只用了17个字描述这一重大发现。

　　然而，气候科学家花了一段时间才对这篇文章产生热情，而真锅本人热衷于给他的方法增加更高的复杂性，没有再以这种方式使用他的1D辐射对流模型。真锅和韦瑟尔德在1975年基于他们初出茅庐的环流模式成功重复计算结果，这个模式也可以解释高纬度变暖，以及雪盖和海冰的变化。

　　这个更为复杂的计算，在一定程度上建立了他们对基于1D辐射对流模型早期方法的信心，因此其他科学家开始使用这类模型来有效探究观测到的二十世纪地表气温升高的多个可能原因。例如，1981年出版的一项研究得出结论，二十世纪的温度变化可能是人为变化（土地利用和大气温室气体浓度、臭氧和气溶胶）和自然现象（太阳辐射变化和火山爆发）的双重结果。这些工作促成了国际上对气候变化的关切，最终在1988年，政府间气候变化专门委员会得以成立。

　　真锅和韦瑟尔德的遗赠既可以视为气候模型日益复杂的正当理由，也可以作为简单建模方法的巅峰。今天，辐射对流模型基本上被复杂的地球系统模式，或者被更简单的概念如辐射强迫（上世纪70年代从上述辐射对流模拟实验中开发）所取代，这很可惜。辐射对流模式是阐明关键气候过程的一个优秀方法，仍然可以提供其他方法不能提供的有用见解，特别是云在气候中的不确定作用方面。五十年过去了，也许是他们重出江湖的时候了。

　　（作者为物理气候变化学教授，利兹大学普里斯特利国际气候中心主任。）

　　（来源：《中国气象报》2017年6月28日三版 责任编辑：王若嘉）