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天氣預報總是測不准?那氣候變化是怎麼預測的?


2021年11月12日 - 地球小編 /  
 

中科院物理所19:39優質科學領域創作者

今年10月公布的諾貝爾物理學獎第一次將目光投向了與人類命運息息相關的氣候變化。11月3日,在上海舉行的“世界頂尖科學家碳大會:氣候變化與生物多樣性論壇”上,來自不同領域的頂尖科學家們一致認為,氣候是道綜合題,氣候變化傷害的不僅僅是生物多樣性,還可能誘發更多疾病傳播,甚至導致人類社會經濟秩序大變動。

環球同此涼熱,應對氣候變化這一全球性挑戰,迫切需要匯聚全人類的智慧探求科學的解決之道。但事實上,氣候這一議題實在過於宏大,我們目前甚至連天氣預報都預測不准,該如何去預測氣候變化呢?今天就來聊一聊。

11月1日,第四屆世界頂尖科學家論壇在上海滴水湖畔開幕,包括68位諾貝爾獎得主在內的“最強大腦們”齊聚一堂,共議當今世界面臨的全球性挑戰。

圖源:世界頂尖科學家論壇

領域專家們探究氣候變化和生物多樣性損失的原因,評估不同項目的有效性,並為政策制定者提供實質性數據以應對氣候變化帶來的打擊。

事實上,建立氣候模式,構建物理模型是研究地球氣候的重中之重,這些能夠為氣候預測奠定科學基礎。但在此之前,我們得先解決兩大關鍵難題:如何讀懂變幻莫測的天氣數據?如何量化人類對氣候的影響?

天氣是個典型的混沌系統

我們首先厘清天氣和氣候兩個概念。兩者存在細微不同,天氣是指一定區域一定時間內大氣中發生的各種氣象變化,如溫度、濕度、氣壓、降水、風、雲等的情況。而氣候是長時間內氣象要素和天氣現象的平均或統計狀態,時間尺度為月、季、年、數年到數百年以上。

圖源:pixabay

地球天氣變化巨大,是因為太陽輻射在地理上和時間上的分布十分不均勻。由於地球是圓的,地球的地軸又是傾斜的,所以在空間上,到達高緯度地區的太陽光比到達赤道附近低緯度地區的太陽光要少,而在時間上,太陽光的不均勻輻射產生了季節性差異。溫度的差異造成了冷暖空氣之間的密度比,從而導致了不同緯度之間、海洋和陸地之間、高低氣團之間的巨大熱量傳輸,從而形成了我們地球上的天氣。天氣的波動是非常不穩定的,而且幅度很大,而氣候相對來說要穩定得多,幅度也比天氣小得多。

氣候模式由天氣預測模型發展而來,這是建立在物理定律的基礎上的。天氣是一個典型的混沌系統,它介於有序與無序之間,短期看它是隨機的,長期看又在一定範圍裏波動。理論上,我們當然可以建立能夠預測未來數十年、甚至數百年的可靠氣候模式,但是天氣的波動往往會造成計算誤差的無限放大。

在1980 年前後,今年諾貝爾物理獎得主之一克勞斯·哈塞爾曼成功地找出了將天氣和氣候聯系在一起的方法。

他提出了如何將不斷變化的混沌天氣現象描述為快速變化的噪音,從而為進行長期氣候預測奠定了堅實的科學基礎。此外,他還提出了一些證明人類對全球溫度造成的影響的方法。

前不久,瑞典皇家科學院公布了諾獎名單,決定將2021年的諾貝爾物理學獎授予美國籍科學家真鍋淑郎、德國科學家克勞斯·哈塞爾曼和意大利科學家喬治·帕裏西。真鍋淑郎與克勞斯·哈塞爾曼共同獲得了一半的諾貝爾物理學獎,獲獎理由是:建立了地球氣候的物理模型,能夠量化變化情況、以及可靠預測全球變暖。

圖源:諾獎官網

讀懂充滿噪聲的天氣數據

事實上,我們可以把從充滿噪聲的天氣數據中建立氣候模型比作遛狗:

狗有時會掙脫牽引繩,有時會跑在你前面、後面或與你並肩前行,有時則會繞著你的腿跑。你能從狗的運動軌跡中看出你是在走路還是站立不動嗎?或者能看出你是在快步行走還是小步慢走嗎?

圖源:pixabay

狗的運動軌跡就像天氣變化,你的行進軌跡就像通過計算得出的氣候。我們能否用這些混亂的、充滿噪聲的天氣數據,總結出氣候的長期趨勢呢?

影響氣候變化的情況極易發生變化,在今年的拉尼娜事件發生之前,我們就發現了副熱帶高壓的異常,要知道中東赤道太平洋的平均海溫只要上升0.5℃,就會對氣候變化產生影響。氣候模式准確的關鍵在於,要將快速的天氣變化作為噪聲整合進對氣候的計算中,並體現出這些噪聲對氣候的影響。

克勞斯·哈塞爾曼創造了一套隨機氣候模式,將這些變化的可能性都整合進了模式中,靈感來自愛因斯坦的布朗運動理論。他利用這項理論說明,大氣的快速變化其實可以導致海洋的緩慢變化。

在完成氣候變化模型之後,克勞斯·哈塞爾曼又開發了識別人類對氣候系統影響的方法。他發現,這些模型,連同觀測結果和理論結果,都包含了關於噪聲和信號特性的充分信息。例如,太陽輻射、火山顆粒或溫室氣體水平的變化都會留下獨特的信號、指紋,而且這些信號可以被分離出來。這種識別指紋的方法也可以應用於人類對氣候系統的影響,克勞斯·哈塞爾曼因此為進一步的氣候變化研究鋪平了道路。通過大量的獨立觀測,這些研究展示了人類對氣候影響的大量痕跡。

隨著氣候系統中複雜相互作用的過程被更徹底地繪制出來,尤其是有了衛星測量和天氣觀測的幫助,氣候模型變得越來越完善。這些模型清楚地顯示出溫室效應正在加速:自 19 世紀中期以來,大氣中的二氧化碳含量增加了 40%。地球的大氣已經有幾十萬年沒有如此多的二氧化碳了。相應地,溫度測量顯示,在過去 150 年裏,地球溫度上升了 1 ℃。

溫室效應:

氣候研究的重要課題

隨著極端天氣的日趨頻繁,全球氣候變暖一次次被提及。氣候變暖與地球大氣層的一大重要機制“溫室效應”有關。1896年,諾貝爾化學獎獲得者斯萬特·阿倫尼烏斯(Svante Arrhenius)發表了關於“大氣中的二氧化碳對地球溫度的影響”的論文,第一次關注到了“溫室效應”,可以說是當之無愧的氣候科學研究的先行者。

大氣能使太陽短波輻射到達地面,但地表受熱後向外放出的大量長波熱輻射線卻被大氣吸收,這樣就使地表與低層大氣溫度增高,因其作用類似於栽培農作物的溫室,故稱之為“溫室效應”。

大氣中的溫室氣體 —— 二氧化碳、甲烷、水蒸氣和其他氣體 —— 會首先吸收地球的紅外輻射,然後釋放其吸收到的能量,加熱周圍和下方的空氣,從而造成氣溫上升。溫室氣體實際上只占地球幹燥大氣的一小部分,二氧化碳僅占 0.04%,其中 99% 都為氮氣和氧氣。最強大的溫室氣體是水蒸氣,但我們無法控制大氣中水蒸氣的濃度,而二氧化碳的濃度則是可以控制的。大氣中的水蒸氣含量極大地依賴溫度,進而得以形成反饋機制。大氣中的二氧化碳越多,溫度越高,空氣中的水蒸氣含量也就越高,從而增加溫室效應,導致溫度進一步升高。如果二氧化碳含量水平下降,部分水蒸氣會凝結,溫度也隨之下降。

萬事皆有度,溫室效應對地球上的生命至關重要,因為它控制著溫度。溫室效應的加劇造成了地球生態環境的破壞,愈演愈烈的話,很可能會出現某些災難性的後果。

因此,量化溫室效應,成為了氣候變化研究的另一重要難題。




量化溫室效應不易,

從傅立葉手中遞來的接力棒

大家可能會覺得溫室效應該很容易理解,但要量化溫室效應的各種因子是非常困難的。早在200年前,法國物理學家約瑟夫·傅裏葉對短波輻射和長波輻射之間的能量平衡展開了研究,雖然弄清了地球大氣在這一平衡中扮演的角色,但實際上大氣中的輻射過程遠比這複雜得多。

圖源:sohu.com

氣象學家延續了多年前傅裏葉的工作——弄清向地球發來的短波太陽輻射與地球向外發出的長波紅外輻射之間的平衡關系。傅立葉之後,研究輻射能在地球大氣中的傳輸和轉換過程就逐漸變成了一門學科——大氣輻射傳輸學,它是氣象學和大氣物理學中一個較為古老的分支,近年來又獲得新的發展。大氣輻射傳輸學的理論基礎建立在分子光譜學和電磁波傳播理論之上,其實同光學和波動學非常接近。

從氣象學和大氣科學發展的初始階段起,大氣輻射及傳輸的研究就占據了重要地位,因為輻射過程是影響氣候和大氣環流的一個基本因子。60年代之後,紅外、激光、微波等大氣遙感技術,特別是氣象衛星遙感和大型電子計算機的應用,極大地促進了大氣輻射傳輸學的理論和實驗研究。

20 世紀 50 年代,日本大氣物理學家真鍋淑郎研究的目的就是為了理解二氧化碳水平的增加如何導致氣溫的上升。他不僅關注了大氣輻射的平衡,還領導了與大氣輻射相關的物理模式的發展,將對流造成的氣團垂直輸送以及水蒸氣的潛熱納入其中。簡單地說,前人是比較靜態地考慮大氣輻射平衡,但他則開創性地將天氣變化的變量納入到氣候模式裏,使得最後得到的科學結論更接近於現實情況。

真鍋淑郎是第一個探索輻射平衡與對流引起的氣團垂直輸送之間相互作用的科學家,同時他還考慮到了水循環貢獻的熱量。來自地面的紅外熱輻射部分被大氣吸收,使空氣和地面變暖,而另外一些則輻射到太空。熱空氣比冷空氣輕,所以它通過對流上升。熱空氣還攜帶著水蒸氣(也是一種強大的溫室氣體)。

空氣越暖,水蒸氣的濃度就越高。再往上,到大氣較冷的地方會形成雲滴,釋放儲存在水蒸氣中的潛熱。他和克勞斯·哈塞爾曼的模型證實了,這種升溫確實是由二氧化碳濃度增加導致的;還預測了靠近地面的溫度上升,而上層大氣的溫度變低。如果太陽輻射的變化是溫度升高的原因,那麼整個大氣應該在同一時間被加熱。

近年來,大氣輻射傳輸學突飛猛進的另一個重要原因是氣候研究的發展,這裏所說的氣候研究,不是傳統的描述和統計氣候學,也不是一般的動力氣候,而是現代的物理氣候學研究,例如人類活動對未來氣候環境影響的研究及全球變化中的氣候研究等,一個最突出的例子是關於二氧化碳和其他微量氣體誘導氣候效應的研究。在此類研究中,大氣輻射傳輸具有極大的重要性。

真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼為人類作出了巨大貢獻,為我們了解地球氣候提供了堅實的科學基礎。這些氣候模型的結果是非常明確的——地球確實正在變暖,大氣中溫室氣體含量增加導致了地球變暖。人類活動所排放的氣體就是氣溫升高的原因。

尾聲

在天文和航天領域,我們已經能夠非常精確地預測飛船發射後何時將與空間站完成交會對接。

但在天氣預報上仍然會有如此多的不確定,可能有人會問,難道預報地球上的副熱帶高壓比預報地球之外的英仙座流星雨還難嗎?

事實上,飛船發射、星球運行和天氣氣候確實都被同樣的自然定律支配,但天氣氣候要複雜得多。“蝴蝶效應”對天氣預報的影響遠遠大於預測哈雷彗星,近似准確的輸入得出近似准確的輸出,這在很多科學領域是基本成立的,但是在氣象科學卻是需要非常謹慎地對待。

人類對類似於氣候這種複雜系統的了解仍在非常初步的狀態,霍金說過,“我認為21世紀將是複雜性的世紀”。相信未來會有更多科學家投身於這個領域,複雜系統的面紗一定會慢慢揭開。

(本文部分參考了瑞典皇家科學院對2021年諾貝爾物理學獎的通俗科學背景解讀)

來源:上海科技館

編輯:荔枝果凍

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