爱游戏张人禾院士：气候系统和气候变化研究获2021年诺贝尔物理学奖的启示—新闻—科学网
时间：2024-04-11 22:15:00 已阅读:77次
张人禾 复旦年夜学特聘传授，中国科学院院士，国度卓异青年科学基金得到者。掌管国度天然科学基金立异研究群体工程、庞大工程以及国度973工程等。重要从事天气动力学研究，研究标的目的包孕热带年夜标准海气彼此作用、亚洲季风、青藏高原景象形象学等。曾经荣获国度科学技能前进奖二等奖（排名第1）、中国青年科技奖等学术奖励。揭晓SCI论文170余篇。
摘 要 2021年，诺贝尔物理学奖授予了年夜气科学范畴从事天气体系以及天气变迁研究的美国科学家真锅淑郎以及德国科学家克劳斯 哈塞尔曼。本文经由过程回首获奖结果汗青配景、阐发获奖意思，对于本次诺贝尔奖结果做相识读，申明该结果于熟悉地球天气这一繁杂物理体系、甄别天然要素以及人类勾当对于其影响方面的开拓性事情和于鞭策人类社会成长中的主要作用，进而指出年夜气科学与其他天然科学以及社会科学多学科的交织交融，是鞭策天气体系以及天气变迁研究取患上开创性结果的主要缘故原由。本文还对于该范畴将来成长作了瞻望，申明了从地球体系科学的视角开展地球体系多圈层彼此作用及其与人类勾当接洽的研究、跨圈层整合的地球不雅测体系的成立和地球体系模式的成长，是天气体系以及天气变迁范畴将来主要的研究标的目的。 要害词：2021年诺贝尔物理学奖；天气体系；天气变迁；人类勾当 2021年10月5日，瑞典皇家科学院公布2021年诺贝尔物理学奖一半授予美国科学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）以及德国科学家克劳斯 哈塞尔曼（Klaus Hasselmann），另外一半授予意年夜利科学家乔治 帕里西（Giorgio Parisi），表扬他们 对于理解繁杂物理体系的开创性孝敬 。三位获奖人中，真锅淑郎以及克劳斯 哈塞尔曼为年夜气科学家，从事天气体系以及天气变迁研究，他们获奖的理由是 奠基了地球天气变异以及人类对于其影响的认知根蒂根基 以及于 地球天气物理模仿、量化变异以及靠得住猜测全世界变暖 方面的卓着孝敬。 这是与年夜气科学相干研究第4次得到诺贝尔奖。保罗 克鲁岑（Paul Jozef Crutzen）、马里奥 莫里那（Mario Molina）、舍伍德 罗兰（Sherwood Rowland）三位科学家因年夜气化学研究得到1995年诺贝尔化学奖，他们的开拓性孝敬是对于年夜气中的化学历程于臭氧造成以及分化中的作用给出相识释。艾伯特 戈尔（Albert Arnold Gore Jr.）以及结合国当局间天气变迁专门委员会（IPCC）得到2007年诺贝尔以及平奖，以表扬于增进以及流传报酬天气变迁常识、提出消解报酬天气变迁对于策方面的勾当。威廉 诺德豪斯（William Nordhaus）因将天气变迁与持久宏不雅经济阐发的联合，得到2018年诺贝尔经济学奖。 天气变异以及天气变迁对于人类保存情况和经济社会成长正于发生主要影响，出格是天气变暖酿成的影响已经经成为人类社会成长所面对的伟大应战，天气变迁今朝是列国当局以及公家和国际科技界广泛存眷的问题。本文评述了2021年度两位天气学家获诺贝尔奖的缘故原由以及配景、获奖意思，也对于这次诺贝尔奖的启迪及该范畴研究的将来成长给出了评述。 1 获奖缘故原由以及配景 地球天气是一个典型的繁杂物理体系，其变迁具备较着的多时间标准以及多空间标准特性。时间标准上重要表现于从季候内、年际、年月际到百年以至更长标准，空间标准可以从局地到全世界，而且各类时间以及空间标准的变迁还存于彼此作用。地球天气的天然变迁遭到天气体系五年夜圈层（年夜气圈、水圈、冰冻圈、生物圈以及岩石圈）的影响，海 陆 气彼此作用是决议地球天气天然变迁的焦点。地球天气同时还遭到天然以及报酬两类外强制要素的影响。天然外强制重要包孕太阳辐射以及火山勾当，报酬外强制则重要是人类出产、糊口使用化石燃料排放进入年夜气圈的温室气体、气溶胶等物资和地盘哄骗的变迁。是以，地球天气是一个繁杂物理体系，熟悉以及理解这一繁杂体系，是人类社会所面对的伟大应战。 20世纪60年月中期，包孕真锅淑郎于内的美国 地球物理流体动力学 国度试验室的科学家，接踵成立了全世界年夜气环流模式（AGCM）以及海洋环流模式（OGCM）。因为地球天气的变异取决在海 陆 气彼此作用，零丁的AGCM或者OGCM没法描画地球天气及其变异。1969年，真锅淑郎初次成立了涵盖全世界年夜气、海洋以及陆面历程的一体化数学模子［1］，即全世界海气耦合数值模式（A-OCGCM），从此开创了人类对于地球天气的多圈层耦合模仿、实现了对于地球天气及其变异的量化研究。 对于地球天气最重要的报酬影响，是人类出产糊口使用的化石燃料排放到年夜气中的二氧化碳所孕育发生的温室效应，形成年夜气变暖。1960年，美国科学家查里斯 年夜卫 基林（Charles David Keeling）按照不雅测，最早发明年夜气中化石燃料燃烧开释的二氧化碳含量于增长［2］。然而年夜气中的二氧化碳与天气变暖之间的量化瓜葛却始终是个难题，对于二氧化碳影响地球天气的水平及其后果缺少定量熟悉。1967年，真锅淑郎以及互助者成立了于给定相对于湿度漫衍前提下的年夜气辐射对于流均衡数学模子，证实了于现实年夜气相对于湿度漫衍景象下，二氧化碳加倍可以致使地表年夜气温度升高峻约2.3℃［3］。该事情从理论上开创性地给出了年夜气二氧化碳增长与年夜气变暖的量化瓜葛。随后他们进一步哄骗一个高度简化的三维年夜气环流模式，发明于二氧化碳加倍的景象下，模式中的对于流层增暖（高纬更显著）、水轮回增强、平流层降温［4］。这些成果初次体系展现了年夜气中二氧化碳增长对于年夜气体系差别份量的影响。 针对于繁杂地球天气体系，克劳斯 哈塞尔曼1976年创立了一个随机天气变异模子，从时间标准上分散了模子中快变的 气候体系 （如年夜气）以及慢变的 天气体系 （如海洋、冰冻圈、陆地植被等），将前者作为随机强制项，申明了慢变 天气体系 是对于短周期快变 气候体系 不停随机引发的相应［5］。该项研究创举性地成立了繁杂地球天气体系中差别时间标准变迁之间的接洽，指出了繁杂地球天气体系中快变历程对于慢变历程的影响。随后于1993年，他提出了一个最优线性滤波器（指纹），用在检测存于天然天气变异噪声时随时间变迁的多变量天气变迁旌旗灯号，将该最优 指纹 要领运用在天气不雅测或者模仿资料时，可以获得具备最年夜信噪比的天气变迁检测变量［6］。该事情为辨认年夜气中二氧化碳增长对于年夜气变暖的影响提供了根蒂根基要领。 2 获奖意思 真锅淑郎以及克劳斯 哈塞尔曼开创了人类对于繁杂地球天气体系的理解和对于其变迁的量化。出格是于理解以及猜测人类勾当影响地球天气体系方面，真锅淑郎起首量化了年夜气中二氧化碳增长对于年夜气增温的影响水平，克劳斯 哈塞尔曼提出的天气变迁最优指纹检测提供了辨认人类勾当排放的二氧化碳对于年夜气增温影响的要领。他们的开创性事情，为熟悉繁杂地球天气体系和人类勾当对于地球天气体系的影响奠基了科学根蒂根基。 真锅淑郎以及克劳斯 哈塞尔曼的开创性事情激发了年夜量的后续研究，出格是天气变暖的报酬成因及其影响以及危害研究，近几十年获得了列国公家以及当局的遍及存眷。1988年，世界景象形象构造（WMO）以及结合国情况计划署（UNEP）成立了IPCC，专门针对于天气变迁的科学事实、社会经济影响、和将来天气变迁危害开展评估。截至今朝，IPCC已经举行了6次评估陈诉。此中，2021年8月最新发布的IPCC第六次评估陈诉第一事情组陈诉《天气变迁2021：天然科学根蒂根基》中（https://www.ipcc.ch/report/sixth-assessment-report-working-group-i /），明确指出人类勾当影响全世界天气变迁是无庸置疑的。于已往 2000 年中，近50年间的全世界地表升温要快在任何其他50年，将来20年全世界温升估计将到达或者跨越1.5℃；天气变迁加重水轮回，影响降雨特性，增长了极度高温、降水、干旱以及热带气旋发生可能性以及强度；冰川、冰盖、积雪显著削减，冻土熔化；沿海地域的海平面连续上升，沿海低凹地区将发生更频仍、更严峻的洪水以及海岸侵蚀。 历次IPCC评估陈诉对于天气体系以及天气变迁的科学熟悉，为国际社会以及列国当局制订应答方案提供了主要依据，为国际天气构和以及决议计划提供了主要支撑。为了应答以及缓解天气变暖对于人类社会成长带来的应战，国际上造成了一系各国际和谈，如1992年制订的《结合国天气变迁框架条约》、1997年提出的《京都议定书》和2016年实行的《巴黎协定》。由此可以看到，对于繁杂地球体系和人类勾当影响地球天气体系的科学熟悉，不只开创了新的科学范畴，晋升了对于天气体系及其变迁的科学熟悉以及理解，同时也对于人类社会成长的门路选择孕育发生了主要影响。 3 启迪以及瞻望 从年夜气科学相干范畴得到4次诺贝尔奖来看，这些结果都是基在学科交织交融，学科交织交融已经成为现代年夜气科学成长的一个主要特性，是现代年夜气科学成长的一个固有 基因 以及内涵动力。这些诺贝尔奖级结果均与 天气体系 以及 天气变迁 有着紧密亲密瓜葛（年夜气中臭氧的变迁也与天气变迁相干联［7］）。 天气体系 以及 天气变迁 是 地球体系 的焦点内容之一，是驱动21世纪地球体系科学成长的一个主要引擎。 从年夜气科学的成长演化来看，交织交融鞭策了现代年夜气科学的蓬勃成长。跟着传统景象形象学与数学、物理、化学等学科的深度交融，降生了 年夜气动力学 年夜气物理学 年夜气化学 平分支学科，演化成一门从征象、到机理、再到猜测的现代科学。跟着年夜气科学于经济社会可连续成长中饰演愈来愈主要的作用，年夜气科学与其他相干范畴亦于发生无机的交织交融， 年夜气情况 水文景象形象 农林景象形象 交通景象形象 贸易景象形象 天气经济学 等学科不只拓展了年夜气科学研究领域的外延，也使患上 夸大历程机理 以及 器重猜测预告 等理念融入其他学科，鞭策了其他学科的成长。从常识链条来看，年夜气学科深远影响着物理、化学等根蒂根基学科（如1995年诺贝尔化学奖以及2021年诺贝尔物理学奖结果）以及社会经济常识范畴（如2007年诺贝尔以及平奖以及2018年诺贝尔经济学奖）。今朝年夜气科学与生物学、生态学、医学等范畴亦于交融演进，此中， 生态景象形象 已经开端造成理论系统，而 康健景象形象 方兴日盛。也许于将来， 天气变迁与康健 范畴的冲破性结果将成为比赛诺贝尔心理学或者医学奖的无力竞争者。 从天气体系以及天气变迁范畴的将来成长来看，虽然它们肇始在年夜气科学学科［8］，但跟着研究的深切以及时代成长，其内在以及外延远远凌驾了年夜气科学领域。对于天气体系以及天气变迁的越发深切理解，需要从更广泛的地球体系科学的视角开展研究。地球体系中的物理、化学、生物以及社会份量、历程以及彼此作用，确定了地球（包孕生物以及人类）状况以及动力学［9］。其次，应越发看重综合地球不雅测体系的设计以及成立。今朝的地球不雅测体系基本上是为满意单一学科或者营业需求而设立［10］,将来需要研究成立涵盖地球体系各圈层和人类勾当的空、天、地一体化不雅测体系，满意天气体系以及天气变迁范畴多学科性交织研究的需求。末了，应越发看重地球体系模式的研发。地球体系模式是研究、评估以及猜测天气体系以及天气变迁及其影响的主要东西，于模式中需要包孕表征地球体系各圈层的数学物理模子以及表征人类勾当的社会经济模子，合理表现地球体系的物理、化学以及生物历程和地球体系各份量的彼此耦合历程。 从研究范式来看，应越发看重理论、不雅测以及模式成长之间的交融，增强各种研究彼此交流，使之互为依托、相辅相成、互相促成。要器重人工智能以及年夜数据等新技能的运用，从数据科学的视角掘客新的常识，并经由过程展现数据间的因果瓜葛开展预告猜测。对于在科研资助以及治理部分，除了了对于仪器、装备等硬件研制举行资助外，应该越发看重资助 软件 （如地球体系模式和此中的各类份量模式）的研发。别的，除了了对于前沿热门科学问题举行撑持外，还应踊跃撑持 冷门 研究，如其时真锅淑郎所从事的温室气体与年夜气增温研究就不属在热门研究范畴。 参 考 文 献 ［1］Manabe S. Climate and the ocean circulation: 1. the atmospheric circulation and the hydrology of the earth s surface. Monthly Weather Review, 1969, 97����Ϸapp(11): 739 774. ［2］Keeling CD. The concentration and isotopic abundances of carbon dioxide in the atmosphere. Tellus, 1960, 12(2): 200 203. ［3］Manabe S, Wetherald RT. Thermal equilibrium of the atmosphere with a given distribution of relative humidity. Journal of the Atmospheric Sciences, 1967, 24(3): 241 259. ［4］Manabe S, Wetherald RT. The effects of doubling the CO2 concentration on the climate of a general circulation model. Journal of the Atmospheric Sciences, 1975, 32(1): 3 15. ［5］Hasselmann K. Stochastic climate models: part I. Theory. Tellus, 1976, 28(6): 473 485. ［6］Hasselmann K. Optimal Fingerprints for the detection of time-dependent climate change. Journal of Climate, 1993, 6(10): 1957 1971. ［7］Zhou S, Zhang R. Decadal variations of temperature and geopotential height over the Tibetan Plateau and their relations with Tibet ozone depletion. Geophysical Research Letters, 2005, 32: L18705. ［8］刘哲, 丁爱军, 张人禾. 调解国度天然科学基金申请代码, 优化年夜气学科资助结构. 科学传递, 2020, 65(12): 1068 1075. ［9］Reid WV, Chen D, Goldfarb L, et al. Earth system science for global sustainability: Grand challenges. Science, 2010, 330(6006): 916 917. ［10］张人禾. 天气不雅测体系及其相干的要害问题. 运用景象形象学报, 2006, 17(6): 705 710.出格声明：本文转载仅仅是出在流传信息的需要，其实不象征着代表本消息网不雅点或者证明其内容的真实性；如其他媒体、消息网或者小我私家从本消息网转载使用，须保留本消息网注明的“来历”，并自大版权等法令义务；作者假如不但愿被转载或者者接洽转载稿费等事宜，请与咱们联系。/爱游戏