他们因对“地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖”的开创性贡献而获奖
三名科学家共享诺贝尔物理学奖。 诺贝尔奖官网截图
当地时间10月5日，瑞典皇家科学院宣布，将2021年诺贝尔物理学奖一半授予日裔美籍科学家真锅淑郎和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼，他们因对“地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖”的开创性贡献而获奖；将另一半奖项授予意大利科学家乔治·帕里西，他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落的相互作用”。
一时间，各网络平台被这一消息刷屏了，不少人纷纷提出疑问：气候研究也能得诺贝尔物理学奖了?这一奖项为何颁给容易引起争议的全球变暖研究?不少气象领域专家在兴奋之余，也颇感意外。
“以前的诺贝尔物理学奖都主要颁给做基础物理研究的人，这一次是颁给进行气候变化模拟和预估的科学家，所以整个学界既感意外又觉惊喜。”中科院大气物理所研究员俞永强说。 诺贝尔奖并无气象奖，只有物理、化学、生理学或医学奖、和平奖、文学奖和经济学奖，气象学家或相关研究及成果只能通过其他领域拿到诺贝尔奖。例如，1995年，气象学家保罗·克鲁岑、 马里奥·莫利纳、弗兰克·罗兰获得诺贝尔化学奖；2007年，因 “在构建及传播人为气候变化知识上所付出的努力，以及在制定应对此类天气的措施方面奠定基础”，政府间气候变化专门委员会（IPCC）和美国政治家阿尔·戈尔共同获得诺贝尔和平奖；2018年经济学奖授予将气候变化因子纳入经济模型的成果。 在曾经称霸地球的物种——恐龙的灭绝假说中，有一种是气候变化学说。该假说认为大约6600万年前，行星撞击地球后引发气温骤降是恐龙灭绝的重要原因。 ▲美籍日裔学者 真锅淑郎 真锅淑郎是气候模拟的开拓者之一，被称为“温室气体之父”，他的研究展示了大气中二氧化碳浓度的增加如何导致地表温度升高。上世纪60年代，在全球变暖还并未成为广受关注的问题时，在美国地球物理流体动力学实验室（GFDL）工作的真锅淑郎与合作者便开始开发有史以来第一个气候模型，他也是探索辐射平衡与气团垂直输送之间相互作用的第一人。 例如，2021年8月IPCC 发布的第六次评估报告第一工作组报告指出，当二氧化碳含量翻倍时，全球气温将升高2.5℃~4℃，最佳估计是3℃，之前IPCC第五次评估报告给出的评估范围是1.5℃~4.5℃之间，而真锅淑郎当时模式计算出的结果是2.36℃。 真锅淑郎建立了最早的地球气候物理模型，但大气是一个混沌多变的复杂系统，一只亚马逊热带雨林中的蝴蝶扇动几下翅膀，可能两周后在美国得克萨斯州引发一场龙卷风，那为何气候模型依然可靠呢？ ▲德国学者 哈塞尔曼 哈塞尔曼将混乱变化的天气现象作为快速变化的噪音纳入计算，并证明这种噪音如何影响气候，从而为长期气候预测奠定了坚实科学基础。受爱因斯坦有关布朗运动的理论启发，他创建了一个随机气候模型，证明了快速变化的大气实际上会导致海洋缓慢变化。 哈塞尔曼还开发出一种新方法，可用来识别自然现象和人类活动在气候变化中留下的“蛛丝马迹”。他发现，太阳辐射、火山颗粒或温室气体浓度的变化会在气候系统中留下独特的信号，这些信号可以识别出来，而这种识别“指纹”的方法也可以应用于人类对气候系统的影响。 他提出了气候变化归因检测的方法，从而将人类活动和自然过程区分开来，建立起清晰的人类活动影响地球气候系统的科学基础。他的方法已被用来证明大气温度升高是由人类活动排放二氧化碳造成的，而这已经成为当前全球气候学家的共识。 “真锅淑郎和哈塞尔曼都是IPCC报告的作者，他们的研究对于认识气候变率和预测全球气候变暖作出了巨大贡献。” IPCC第六次评估报告第一工作组联合主席翟盘茂说。 与真锅淑郎和哈塞尔曼相比，乔治·帕里西的研究更聚焦于微观尺度。1980年左右，帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式，奠定了复杂系统理论的基石。这些成果使理解和描述许多不同的、显然完全随机的材料和现象成为可能，并被运用到物理学以外的许多领域，如数学、生物学、神经科学和机器学习等。 ▲意大利物理学家 乔治·帕里西 拿气候系统来说，地球气候状况受气候系统自身非线性动力过程引起的内部变率（如厄尔尼诺，太平洋年代际振荡等）和外部因子（外部强迫）的共同影响。而外部因子又分为自然强迫和人为强迫，自然强迫也就是自然产生的，如火山爆发、太阳黑子变化等；人为强迫由人类活动引起，如人为温室气体排放、人为气溶胶排放等。 可以看出，复杂系统无愧于复杂二字，它的研究实在是太难了。针对自然界中相对比较规律、有秩序的现象，我们可以运用微分方程、动力系统和群论等一大堆数学、物理工具进行确定性地分析和研究；针对无序的随机现象，我们可以采用概率论、统计物理等一大堆理论工具研究其宏观统计特征。然而，复杂系统恰恰同时具有确定性和随机性两种特征，传统的分析工具目前尚无法满足研究的需求。所以，在这方面取得哪怕是一小步的进展都是了不起的。
自1901年物理学家伦琴因发现X射线首次获奖至今，诺贝尔物理学奖已经跨越了100多年的历史，可谓陪伴了现代物理学和整个现代科学的发展。
在这100多年间，诺贝尔物理学奖得主们的研究领域宏观至宇宙探索（比如黑洞和引力波），微观至原子结构（比如重原子核分裂），从理论物理、粒子物理到凝聚态物理和天体物理，几乎无所不包。然而，气候科学研究获得诺贝尔物理学奖，这在历史上还是第一次。
“近些年诺贝尔物理学奖有时颁发给看起来不那么纯粹的物理领域，一方面说明基础物理有硬骨头需要攻克，另一方面也表明诺贝尔奖开始逐渐关注科学研究对人类社会的影响。” 美国普林斯顿大学研究员杨文昌说。
这样的事件未来还会发生吗？历史上导致气候突变的关键因素除了陨石撞击还有哪些？地球未来的气候到底将如何变化，几十年后会继续变暖还是迈入“冰河世纪”？暴雨、飓风等极端天气气候事件会变得更加频发吗？
真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼的研究就在试图制造一个“水晶球”，帮助人类预知这些问题的答案。而这些答案很可能关乎人类未来的生死存亡，避免像灾难片电影《2012》中那样可怕场景的发生。
当时，计算机的运行速度比现在慢数十万倍，所以这个模型相对简单，但是其估算的数值已经非常接近目前高度复杂的数值模式的运算结果。
“真锅淑郎是最早基于数值模式定量估计二氧化碳对气候影响的先驱。他50多年前的数值模拟研究工作是建立在严谨的数学和物理学基础之上，并经受了长期历史检验，说明他不仅非常有远见，而且还对地球科学和人类社会可持续发展都具有重大影响。这次真锅淑郎获得诺贝尔物理学奖，反映了全球对气候变化问题的重视，也体现了基础科学对于气候研究的重要性。”俞永强说。
哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的模型，回答了为什么在天气多变且混乱的情况下气候模型仍然可靠的问题。
2005年，《科学》杂志在庆祝创刊125周年时，首次向全球发布了125个最具挑战性的科学问题，包括温室效应会使地球温度达到多高？是什么引发了冰期？“真锅淑郎和哈塞尔曼在回答这些重要问题方面做了开创性工作，影响了当前整个气候研究的面貌。”杨文昌说。
关于全球变暖的科学事实，人类进行了两百余年的探索；关于全球变暖将给人类社会带来的灾难，科学共同体持续发声也有三十余年。但是，全球公众对于气候变化的事实、因果仍有诸多质疑。真锅淑郎和哈塞尔曼的研究表明，我们关于气候的知识，是基于对观测的严格分析，是建立在坚实的科学基础之上的。
三位科学家都因对“混沌和明显随机现象”的研究而获奖，以表彰他们对“理解复杂物理系统做出的开创性贡献”。
于是，“复杂系统”成为今年诺贝尔物理学奖的关键词。
复杂系统所涉领域甚广，从生命到宇宙再到人类社会，无一不是牵一发而动全身的复杂系统。
“气候科学建立在物理学的基础之上，两位气象学家的研究为理解人类活动造成的气候变化和动力机制作出了根本性贡献，为我们了解气候系统及其变化奠定了基础。今天，气象学家正是站在这些巨人的肩膀上继续前行。”中国工程院院士丁一汇说。
来源 | 中国气象报社
作者 | 中国气象报全媒体记者吴鹏
专家顾问 | IPCC第六次评估报告第一工作组联合主席翟盘茂 中国工程院院士丁一汇 中科院大气物理所研究员俞永强 美国普林斯顿大学研究员杨文昌
图片 | 新华网 钛媒体 腾讯网等
编辑 | 中国气象报社全媒体记者王亮
