复杂系统由许多存在着相互作用的部分组成，或是由某种随机性主导，或是组分数量庞大，或是具有混沌的特点——若是系统受到一点扰动，就会产生巨大的改变。2021年诺贝尔物理学奖授予三位 “对我们理解复杂的物理系统做出开创性贡献”的科学家，他们是发展出首个气候模式的真锅淑郎、提出气候变化归因检测方法的哈塞尔曼（K. Hasselmann）和在自旋玻璃问题上做出创新的帕里西（G. Parisi）。
复杂系统中的确定性
地球足够小，质量仅是太阳的33万分之一，在宇宙里仅是一个“暗淡蓝点”“一粒悬浮在阳光中的微尘”。地球又足够大，有复杂多变的天气与洋流。所谓的 “蝴蝶效应”告诉我们，一些看似细微的变动，会引发极为显著的天气变化，即表现了天气的复杂性。大气运动是一个典型的复杂系统，小到半径几十厘米发生在街角的小尘卷，大到半径数百公里的台风，乃至范围达到数万公里的行星尺度波动，都是大气运动在各种尺度上的表现。作为大气运行能量来源的太阳辐射，在地表分布上有纬度差异，由于黄赤交角的存在，在时间上呈现年度周期变化，这让大气运行更加复杂多样。不过，描述大气状态的大气运动方程组看起来只有简单的七个方程：三个方向上的运动方程（动量守恒方程）、质量守恒的连续方程、理想气体状态方程、热力学能量方程和水汽质量方程。它们描绘的空间尺度跨度非常大，从尘卷到行星尺度跨越6~7个数量级。从时间尺度上来讲，这套方程组适用于持续几分钟的扰动，也适用于几天的天气变化过程，甚至数万年以上的气候变化，跨越7~8个数量级。
很明显，在研究中无法考虑每个扰动和过程，只能在不同情况中考察其重点。对于平时关注的天气而言，主要是每天温度、湿度、气压、风速等气象观测量及其变化，而可以忽略尘卷的发生，但是一定要考虑暴虐的台风过程；而若要预测中纬度地区未来数天到一周的天气，则行星尺度的波动非常关键。如果关注未来百年的气候，则要关心气象观测量的统计表现，那就完全可以忽略短时间的台风和暴风雪，只考虑能量平衡和平均状况。
这一套方程不仅囊括了时空上多种尺度的过程，也同时包含了强弱差距悬殊的不同效应。例如对于中纬度地区的天气系统而言，在自由大气中，摩擦力的大小比气压梯度力小9个量级。那么完全忽略摩擦力的耗散作用，不会影响短期天气预报的结果。然而在考虑长时间积分的时候，则要对其有合理的考虑。
大气作为一个复杂体系，虽然人们已明确掌控其运动规律的方程，但这对于了解大气运动和变化而言，仅仅是个开始。这套非线性的方程组，目前我们并无法求解其解析解，只能通过离散化求解数值解。在这一过程中，全球观测数据的初始观测值误差、物理过程的不确定、计算方案的简化等都会进一步带来误差，从而使得数值解存在不确定性，增加其复杂度。在复杂体系中寻找确定性，就需要提炼出其核心过程。
2021年诺贝尔物理学奖的得主中有两位研究全球变暖问题的气候学家。他们的成果都有助于人们理解全球变暖的机制。这也是气候变化研究中的核心问题，尤其是当大气中温室气体含量增倍或者减半的时候，会引起多大的气候响应。
人类对于大气温室效应的认识，可以追溯至著名物理学家傅里叶 （J. Fourier）的工作。1827年，傅里叶推测大气可形成类似于玻璃温室的屏障，对入射的太阳辐射几乎透明，却可以大量拦截和吸收地球表面向外的辐射通量。1860年，爱尔兰物理学家丁达尔（J. Tyndall）进一步确定温室气体主要是水汽、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等，其中吸收性最强的是水汽，其次是CO2。
1896年，瑞典化学家阿伦尼乌斯（S. Arrhenius）利用辐射能量和温度之间的关系为傅里叶的推测提供了物理解释。简单来说，由于热辐射功率与热力学温度的四次方成正比，所以表面温度达到约6000℃的太阳，其辐射的主要是可见光，而地球表面的辐射则主要处在红外波段。地球大气对于可见光是透明的，但对红外波段具有吸收作用，这使得地面附近能够保持平均15℃的气温。他进一步讨论了地球表面气温与大气中CO2浓度之间的关系，即气候敏感度问题。他得到的结果显示，当温室气体浓度加倍时，全球地表气温将增加5~6℃。这一数值远高于目前科学界的认知，根源在于他没有考虑大气环流的热量输送和垂直对流的热量交换，而把地表气温变化仅看作是由辐射过程控制的。这样得到的实际是“辐射平衡”状态下的地表气温。1931年，赫尔伯特（E. O. Hulbert）也讨论了CO2浓度加倍时的温室效应问题，但由于赫尔伯特对CO2的吸收率估计过高，他的结果同样偏大。
真锅淑郎在1960年代研究气候变化时，和阿伦尼乌斯有着类似的目标——解释CO2含量对气候的影响。不过，他的研究不再只是辐射平衡模型，而是将对流引起的大气输运过程和水汽的潜热考虑在内。他考虑到：由于大气干湿对流对于地表热量具有向上输运的效应，故需要将大气分为多个层次进行考虑；而当大气向高层延伸时，大气的加热源不仅来自地表，在平流层的高度，还来自臭氧层对太阳紫外辐射的吸收。受制于当时的计算条件，他将简化进行到极致，把整个地球大气简化为一个单柱模式 [1]：在地面上只有一个点，向上伸展到平流层高层，垂直分为18层，仅考虑太阳辐射、长波辐射、向上热通量（感热和潜热合并计算，不做区分）、对流的垂直输送过程。这种高度近似抓住了地球能量平衡的主要过程，即从太阳获得短波辐射，再通过长波辐射和各种热量输送过程，将能量传输到全球，最终达到地气系统的能量收支平衡状态。
在这个模式中，大气的相对湿度基本保持不变，真锅淑郎创造性地引入“对流调整”方案。当低层温度过高，导致垂直温度递减达到超临界时，大气转变为对流中性状态，并保持总能量不发生变化。通过这种方式，他考虑到了对流过程中潜热释放对热量的输送和对中高层大气的加热作用,最终使得大气处于“辐射对流平衡”状态。而如果不考虑这些过程，大气则处于“辐射平衡”状态。根据真锅淑郎的计算，“辐射平衡”时地表气温极高，达到60℃左右，且在大气中温度递减率数值极大，远超正常对流层大气的垂直温度递减率的数值（约6.5℃/千米，即从海平面起，每升高1千米，大气的温度降低约6.5℃ ）；而在“辐射对流平衡”状态，晴空大气情况下的地表气温为27℃，考虑云的影响时，地表气温为14℃。这非常接近地球表面平均气温，对流层大气的垂直温度递减率也接近实际。
以单柱模式为基础，真锅淑郎进行了一系列数值试验，评估CO2浓度变化造成的气候影响，特别是CO2浓度加倍和减半情况下地球大气温度的变化。他于1967年指出 [1]，当全球CO2含量翻番的时候，对流层温度升高，全球表面温度升高约为2.36℃，而平流层则温度降低，在高度30千米处降温约5℃，40千米处降温约10℃。尽管真锅淑郎使用的是单柱模式，比现在的气候模式简单得多，但是其估算的数值非常接近目前高度复杂的数值模式的估算结果。例如，2021年8月9日联合国政府间气候变化专门委员会第六次气候变化评估（IPCC AR6）[2]预测CO2浓度翻番时全球气温将上升2.5~4℃，其中最佳估计是3℃，之前的第五次气候变化评估报告（IPCC AR5）给出的预测范围是1.5~4.5℃。
大气科学，一方面是一门数理学科，它将大气运动过程建立在物理原理的基础上并用方程描述它；另一方面，运动方程只是开始研究的一小步，从运动方程中得到关于未来天气和气候变化的预测才能体现这一学科的价值。从这一点上来说，它必须借助高性能计算才能获得发展。
在数值模式发展的早期，数值模式运算量庞大，必须对模型进行高度简化。1922年，英国气象学家理查森（L. F. Richardson）最早进行了数值计算天气预报的尝试，他设计了以德国为中心，水平网格距为200千米，垂直网格距约为200 百帕的五层数值模型，范围包括欧洲。利用1910年5月20日的观测资料，计算6小时后的地面气压变化。这一计算工作用了约3个月，结果显示6小时后地面气压升高了146百帕——这么大的增幅在现实中几乎不会出现。
理查森的错误，现在看来是因为对于大气运动方程组的复杂程度了解不够，尤其是对方程组里的快慢过程没有做合理区分，导致计算中作为“噪声”的快过程不合理发展。1946年查尼（J. G. Charney）提出尺度分析的概念，指出大气中存在大尺度的慢过程和小尺度的快过程，而且只有将大气中声波和重力波等快过程去掉，才能获得大尺度大气演变的基本特征。
理查森曾估算，若依靠人力制作24小时的天气预报，约需要64000名计算员协同合作。因而在电子计算机发明之前，数值预报基本是不可能完成的任务。在世界第一台电子数字积分计算机（ENIAC）研制成功后不久的1946年8月，查尼认识了研制ENIAC的“计算机之父”冯·诺依曼，并加入他在普林斯顿大学的团队，成为数值预报的负责人。1950年，查尼对大气运动方程组进行了大规模简化，采用500百帕高度的正压涡度方程，滤去了大气中的快过程，利用ENIAC进行24小时预报，耗费24小时，取得了初步成功。“数值天气预报”一词由此正式使用。
尽管计算机技术发展迅速，但是计算模拟天气和气候依然是个艰巨的任务。真锅淑郎在加入美国气象局大气环流研究部之后，与都田菊郎一起，发展了一个两层原始方程模式。随着对气候的关注，很快将其发展成为两层大气环流模式和九层大气环流模式。真锅淑郎意识到海洋在长期气候演化中起到举足轻重的作用，便与海洋模式专家布赖恩（K. Bryan）合作，于1970年代发展出最早的海气耦合模式。普林斯顿大学有当时最好的计算条件，但当时的计算机算力还不如现在的手机和MP3播放器。即使模式非常简单，当时的UNIVAC 1108 计算机计算一个模式日也需要20分钟，为了实现积分达到平衡态，则需要连续计算50天之久——在当时很难保证稳定运行这么多天。
在这样的条件下，真锅淑郎利用简化的单柱模式、半球模式、大气环流模式和海气耦合模式，做了大量的数值模拟工作，讨论了CO2加倍的气候敏感度问题、极地放大问题、季节演变问题、冰期—间冰期变化、海洋环流变化、水汽循环等，这些都是全球气候变化研究的基本问题和新的领域。
有人将真锅淑郎先生比作气候研究领域的迈克尔·乔丹。正如乔丹成为了篮球界划时代的人物一样，真锅淑郎是气候研究领域的标志人物，他把气候变化的科学研究提高到了一个更高的境界。
从气象数据中寻找人类活动
对气候的影响
关于全球变暖的原因，哈塞尔曼通过首创气候变化的检测、归因和指纹识别的方法，找出了答案。利用数值模拟，可以将自然过程和人类活动在气候变化中留下的独特“指纹”进行区分，从而识别太阳辐射、火山爆发、气溶胶变化或温室气体浓度变化引起的气候异常。通过对气候变化原因的解析，哈塞尔曼把人类活动和自然过程区分开来，证明了大气温度的升高是由于人类排放了过多的CO2，并建立起清晰的人类活动影响地球气候系统的科学基础。
哈塞尔曼和CO2温室效应的“偶遇”至少可以追溯到1960年代他在加利福尼亚大学圣地亚哥分校任教期间。在那里，他遇到了基林（C. Keeling）。后者从1958年起便连续测定大气中的CO2，得到目前持续时间最长的测量记录，并绘制了著名的 “基林曲线”。
哈塞尔曼所关心的海洋气候演化问题同样涉及多个时间尺度。风力、气温的变化每时每刻都在发生，而海洋均匀升温1℃却需要千年以上的时间。天气复杂多变，那其中是否还包含着关于气候长期演化的信息？哈塞尔曼回答了这一问题，他展示了天气和气候变化趋势之间的联系。在哈塞尔曼提出的随机气候模型中，他将多变的天气视作气候变化中的“随机噪声”，并证明了这些“噪声”对气候演化趋势造成的影响。1976年，他对比了随机气候模型的结果与北大西洋地区海洋表面温度的数据 [3]，这便成为该模型的首次应用。
如何科学地将气候模型预言的结果与观测记录做比较，是哈塞尔曼接下来研究的问题。他开发出了“指纹”识别的方法 [4]。与他在建立随机气象模型时的思路类似，源自大气本身不稳定性的天气变化可以视作“噪声”，而气候演化趋势，则是有意义的“信号”，它们都混杂于观测记录之中。同时，借由物理机制和气候模型，可以推测某一因素造成的观测值的变化，尤其是这些变化量在空间上的分布特性和时间上的演化特性。不同的影响因素，如火山喷发和温室气体排放，对气象观测结果的影响有着不同的特性，这就好比它们留下的“指纹”。该方法的开创性在于，它不再像之前研究那样，在单点搜索信号，而是综合地在整体层面上处理观测数据。这就像，人们在生活中并不通过声音的响度、频率等单一物理因素来分辨声音，而只有通过“音色”这一综合性的声音特点，才能做到“听音辨人”。
这一方法使得“CO2导致温室效应”这一论断，获得了统计学的理论基础。换言之，我们今天将气温上升归因于CO2浓度的变化，并不是因为同时观测到了气温上升和CO2浓度升高两种现象，也不是简单地因为气候模型产生了与数据一致的全球变暖的结果，而是因为，根据“指纹”方法，人类活动导致的CO2含量上升这一因素和全球变暖之间的关联，已经达到了统计学对差异显著性的要求。
应对气候变化比预测气候更难
2021年8月份发布的IPCC AR6报告 [2]严正指出：“毋庸置疑，人类的影响使大气、海洋和陆地变暖。”过去20年（2001—2020年）全球表面平均气温比基准值（1850—1900年平均值）高1.09℃。其中，陆地的增温幅度是1.59℃，高于海洋0.88℃的增温幅度。目前温室气体的增速和幅度，远超过去100万年地球冰期—间冰期的全球温室气体的变化范围，增速也超过了5600万年前的古新世—始新世极暖期（PETM）的增加速度；而在PETM事件中，全球气温升高4~8℃，那个时期气温极高，比1850—1900年的平均值高出15~21℃，两极完全没有冰雪，一些热带和亚热带动植物甚至出现在极地地区。如果地球的气候也朝着此方向发展，那将是目前人类社会无法承受的。
真锅淑郎估算的全球气温变化趋势（红虚线）与实际值（蓝实线）的对比 [5]
全球变暖正深刻影响着我们的世界，海平面、北极海冰、冻土层、山地冰川和极地冰盖正在发生剧烈变化，极端天气事件频发，致命高温、极端降水事件、强台风/飓风正变得更为频繁，长期高温连接暴雨、旱涝急转等复合性极端天气事件的出现频率也会大大增加。
根据IPCC AR6的评估，当全球气温相较于基准值升高1.5℃时，“十年一遇”和“五十年一遇”的极端高温事件发生频率将达到原来的4.1倍和8.6倍；若全球气温高于基准值4℃，则将分别增加到9.4倍和39.2倍，届时“十年一遇”将成为“每年一遇”，“五十年一遇”将成为“三年两遇”。
2021年，全球遭遇了太多的极端气候事件。就中国而言，年初遭遇了创纪录的严寒天气，春季反复遭遇沙尘暴，5月武汉、苏州遭遇龙卷风，甘肃白银马拉松遭遇寒潮，7月河南郑州遭遇严重洪涝，北京则经历了雨水最多的夏季。放眼世界，6月底北美西部最高温达到49.6℃，7月西欧暴雨导致洪灾，8月加拿大高温达到48.8℃，9月格陵兰岛最高处首次下雨。真锅淑郎在有生之年，已经见证了自己曾经预测的未来。
面对全人类共同的挑战，需要国际社会的合作，需要各个部门的协调合作，需要能源的快速转型，需要高科技的快速发展，才可能解决，而这方面依然面临很多的困难。真锅淑郎曾说：“制定气候政策往往比预测气候困难上千倍……气候政策不仅涉及环境，还涉及能源、农业、水以及大家可以想象的一切。当世界上的这些重大问题都交织在一起时，你就可以理解解决这个问题有多难。”
应对气候变化需要国际社会采取更加果断且富有雄心的碳减排思路，从而强有力地、快速地、持续地减少CO2和其他温室气体排放，全球将进入“碳中和”的节奏里，努力到本世纪中叶实现“碳中和”。这是一个宏伟的目标，将促进整个世界经济的转型，催生下一次科技革命的到来，人类社会与自然的关系将被重新定位。
魏科，副研究员；包庆，研究员：中国科学院大气物理研究所，北京100029。weike@mail.iap.ac.cn, baoqing@mail.iap.ac.cn
Wei Ke, Associate Professor; Bao Qing, Professor: Institute of Atmospheric Physics, CAS, Beijing 100029.
IPCC. Climate change 2021: The physical science basis. Contribution of working group I to the sixth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. Cambridge University Press, in press.
Hasselmann K. Stochastic climate models Part I. Theory. Tellus, 1976, 28(6): 473-485.
Hasselmann K. Optimal fingerprints for the detection of time-dependent climate change. Journal of Climate, 1993, 6(10): 1957-1971.
