全球變暖，一樁事先張揚(yáng)的謀殺案？
按照諾貝爾獎委員會給出的頒獎理由，這次物理學(xué)獎是授予有關(guān)“復(fù)雜科學(xué)研究”的，而全球變暖領(lǐng)域是復(fù)雜性研究領(lǐng)域的一個個例。復(fù)雜系統(tǒng)特別行非線性過程的研究從來也不是一個小眾的方向，一直是物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、地球科學(xué)、生物學(xué)和工程應(yīng)用等諸多學(xué)科的前沿研究領(lǐng)域，只不過是這個領(lǐng)域的研究難度非常大，很難有一個普適的非線性理論解決所有學(xué)科中的非線性問題，所以在這方面獲獎的研究成果并不是特別多。我個人并不認(rèn)為這標(biāo)志著物理學(xué)的新進(jìn)展和可能性，但是有可能標(biāo)志著諾貝爾評獎委員未來可能會重視物理學(xué)應(yīng)用方面的研究成果。
按照諾貝爾獎委員會給出的頒獎理由，這次物理學(xué)獎是授予有關(guān)“復(fù)雜科學(xué)研究”的，而全球變暖領(lǐng)域是復(fù)雜性研究領(lǐng)域的一個個例。復(fù)雜系統(tǒng)特別行非線性過程的研究從來也不是一個小眾的方向，一直是物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、地球科學(xué)、生物學(xué)和工程應(yīng)用等諸多學(xué)科的前沿研究領(lǐng)域，只不過是這個領(lǐng)域的研究難度非常大，很難有一個普適的非線性理論解決所有學(xué)科中的非線性問題，所以在這方面獲獎的研究成果并不是特別多。我個人并不認(rèn)為這標(biāo)志著物理學(xué)的新進(jìn)展和可能性，但是有可能標(biāo)志著諾貝爾評獎委員未來可能會重視物理學(xué)應(yīng)用方面的研究成果。
2021年8月，IPCC第六次評估報告《自然科學(xué)基礎(chǔ)》發(fā)布，這是科學(xué)共同體在現(xiàn)有的認(rèn)識范圍內(nèi)對于氣候變化最全面而有力的呈現(xiàn)。然而，盡管IPCC已持續(xù)發(fā)聲三十余年，但全球公眾對于氣候變化的事實、因果仍有諸多質(zhì)疑。
在很大程度上，公眾的質(zhì)疑是由于對科學(xué)共同體如何研究氣候變化缺乏了解。要知道，IPCC強(qiáng)而有力的結(jié)論并非空中樓閣，而是基于一場伴隨著無數(shù)質(zhì)疑的科學(xué)接力。
本文旨在分享有關(guān)氣候變化科學(xué)探索的歷史——那些基本物理理論的構(gòu)建、觀測數(shù)據(jù)的積累、數(shù)值模擬的推演……以及，所有科學(xué)結(jié)論背后，氣候?qū)W家們的探索、榮光與無奈。
1
出人意料的諾貝爾和平獎
氣候?qū)W家約翰·霍頓（Houghton）也許不會想到，自己曾長期擔(dān)任聯(lián)合主席的科學(xué)組織——聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）——有一天會派代表赴挪威奧斯陸，領(lǐng)取諾貝爾和平獎獎?wù)隆?/span>
2007年，因 “在構(gòu)建及傳播人為氣候變化知識上所付出的努力，以及在制定應(yīng)對此類天氣的措施方面奠定基礎(chǔ)” [1]，IPCC和美國政治家阿爾·戈爾（Gore）共同獲得諾貝爾和平獎。
戈爾在擔(dān)任美國副總統(tǒng)時，積極推動時任美國總統(tǒng)克林頓簽署人類歷史上第一個具有法律約束力的減排文件《京都協(xié)議書》，而其制作并出演的氣候紀(jì)錄片《難以忽視的真相》，在不少國家引起巨大反響。[2]
與戈爾的單槍匹馬不同，IPCC是一個有著四千多名共同作者、評審專家、組織人員的科學(xué)機(jī)構(gòu)。
該機(jī)構(gòu)的核心——全球范圍內(nèi)的頂尖科學(xué)家們，負(fù)責(zé)評審和評估海量的氣候變化研究，形成一份關(guān)于氣候變化的 “自然科學(xué)基礎(chǔ)” “影響、適應(yīng)和脆弱性” 以及 “減緩措施” 的龐大報告。
在奧斯陸，諾獎委員會說：IPCC讓越來越多的人共同認(rèn)識到人類活動和全球變暖之間的關(guān)聯(lián)，“20世紀(jì)80年代，全球變暖似乎只是一個有趣的假設(shè)，而20世紀(jì)90年代，IPCC的一系列科學(xué)報告則提供了更為有力的證據(jù)支持” [3]。
這一年，距第一次IPCC報告發(fā)布，已過去整整18年 [4]，而霍頓等科學(xué)家們也已向人類社會吶喊、預(yù)警多年——氣候變化會改變并威脅地球上絕大多數(shù)人的生活，加劇資源競爭，激化國家內(nèi)部和國家之間的矛盾，造成更多的暴力沖突甚至戰(zhàn)爭。他們的依據(jù)，來自于科學(xué)共同體在氣象觀測、物理機(jī)制、模式模擬等方面所做的巨大努力。
追溯這一歷史，時針可以撥回到19世紀(jì)早期。
2
1820年，通過計算和思想實驗，法國數(shù)學(xué)家約瑟夫·傅里葉（Joseph Fourier）提出，太陽光能穿過地球大氣，但紅外輻射不能 [5-6]，這一工作被廣泛認(rèn)為最早提出 “溫室效應(yīng)” 的概念。今天來看，傅里葉的結(jié)論很粗糙，計算也存在諸多錯漏，比如，他假設(shè)太空溫度應(yīng)大致相當(dāng)于北極夜間溫度（200開爾文），這使他大大高估了太空輻射對地球溫度的影響。此外，盡管他曾試圖計算，但傅里葉并沒有得出在沒有大氣情況下的地球溫度。
很大程度上，傅里葉對大氣作用的理解依賴于某種直覺。在他看來，大氣就像一種單面鏡，可見光可以透過，但紅外輻射無法射出。但是，對其研究成果的過分苛求并不恰當(dāng)。在熱力學(xué)的草創(chuàng)年代，傅里葉的科學(xué)探索難能可貴。更重要的是，他以一個物理學(xué)家的卓越眼光，將行星溫度估計、大氣輻射效應(yīng)等關(guān)鍵問題帶入了主流科學(xué)界的視野。
三十年后，受傅里葉等人工作的啟發(fā)，愛爾蘭物理學(xué)家約翰·丁達(dá)爾（John Tyndall）開始關(guān)注這一問題，并成功測量了空氣中不同成分吸收的紅外輻射熱量 [7]。通過一套復(fù)雜精巧的試驗裝置，丁達(dá)爾測量出大氣的主要成分（如氧氣、氮氣）對紅外輻射的吸收極弱，而水蒸氣、二氧化碳等能夠大量吸收紅外輻射 [8]。
至此，溫室效應(yīng)的物理理論基礎(chǔ)已經(jīng)堅實。而工業(yè)革命以來二氧化碳上升，讓先見者意識到，全球溫度可能持續(xù)升高。
比如英國蒸汽工程師蓋伊·卡倫德（Callendar），他利用業(yè)余時間收集了19世紀(jì)以來的溫度觀測數(shù)據(jù)，挖掘和評估其時的二氧化碳濃度測量值，得出結(jié)論，1900年至1936年，二氧化碳濃度增加了6%。1938年，卡倫德斷言，二氧化碳上升可以解釋觀測到的變暖現(xiàn)象。[9]
而在大洋彼岸，美國科學(xué)家查爾斯·大衛(wèi)·基林（Keeling）于1950年代開發(fā)出了第一臺可靠測量大氣二氧化碳濃度的科學(xué)儀器，并在夏威夷的莫納羅亞建起觀測站，對二氧化碳濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測 [10]。日后，這一測站以世界上時間最長的大氣二氧化碳連續(xù)記錄，有利地論證了地球二氧化碳濃度的快速增加。
3
從未消失的質(zhì)疑
百年以來，基林們的觀測不斷被證實——隨著二氧化碳濃度持續(xù)增加，全球平均溫度已上升1攝氏度。但自上世紀(jì)40年代開始，也就是卡倫德斷言全球增暖趨勢的幾年之后，全球平均溫度曾經(jīng)歷過一段下降期。1961年，美國氣象學(xué)家小約翰·默里·米切爾（John Murray Mitchell Jr）發(fā)文，指出1940年以來，全球溫度不僅未升，反而有所下降 [11]，這種 “全球變冷” 的論調(diào)直到70年代仍大有市場 [12]，也使卡倫德等人全球升溫的結(jié)論備受質(zhì)疑。
以今觀之，上世紀(jì)40年代到70年代的溫度波動，只不過是變暖大勢中的小插曲。但和卡倫德一樣，氣候?qū)W家的工作總是和質(zhì)疑相伴，其中，最為公眾熟知的就是2009年底的 “氣候門事件”。在《京都協(xié)議書》締約大會的幾個星期以前，黑客入侵了英國東英吉利大學(xué)氣候研究中心的服務(wù)器，并將該校氣候?qū)W者的一千多封電子郵件和數(shù)據(jù)文件公開，指責(zé)這些科學(xué)家涉嫌偽造和扭曲數(shù)據(jù)，刻意夸大全球變暖 [13]。
一時，全球輿論洶洶。
為平息質(zhì)疑，多家科學(xué)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了獨立調(diào)查，并發(fā)聲認(rèn)為這一指控不實 [14]。與此同時，“氣候門” 對科學(xué)界產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，直接促使物理學(xué)家理查德·穆勒（Muller）等人推行伯克利地面溫度（Berkeley Earth Surface Temperature，BEST）計劃，希望利用更多的測站資料、更長的觀測時段，“基于數(shù)據(jù)分析的透明方法” 獨立驗證，最終得到了和英國東英吉利大學(xué)幾乎一致的結(jié)果。
不同國際機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)集給出的1850-2020年全球平均地表溫度變化 | 圖源：Berkeley Earth 2020年全球氣溫報告
通過兩百年來的物理基礎(chǔ)、百年來的觀測資料，科學(xué)家們得出明確結(jié)論，二氧化碳會導(dǎo)致全球平均溫度的持續(xù)上升。但是，全球平均溫度的變化，多大程度上可以歸因于人類活動？
氣候研究的時空尺度和研究對象，決定了它無法使用實驗室的對照實驗對理論進(jìn)行驗證。然而，數(shù)值模式的發(fā)展，使得氣候?qū)W家可以回答這一問題。
4
得益于經(jīng)典物理學(xué)、計算數(shù)學(xué)、計算機(jī)和大氣動力學(xué)的逐步發(fā)展和持續(xù)積累，自上世紀(jì)50年代以來，數(shù)值模式如同經(jīng)歷了一場寂靜的革命，已發(fā)展成為現(xiàn)代氣候?qū)W最重要的研究工具，也是所有物理科學(xué)中影響最大的領(lǐng)域之一 [15]。
早在二十世紀(jì)初，氣象學(xué)家皮耶克尼斯（Bjerknes）就提出，物理學(xué)定律可用于預(yù)報天氣。納維斯托克斯方程、質(zhì)量連續(xù)性方程、熱力學(xué)第一定律和理想氣體方程共同構(gòu)成大氣預(yù)報方程，對這些偏微分方程進(jìn)行數(shù)值求解，就可以預(yù)測未來的天氣。但由于當(dāng)時既沒有足夠的算力（計算機(jī)），也缺乏足夠的觀測資料，更重要的是，大氣在大尺度層面的運動尚未構(gòu)建出完整的理論，數(shù)值預(yù)報的早期嘗試均以失敗告終。
直到一位叫朱爾·查尼（Jule G. Charney）的年輕人橫空出世。
在完成他那篇著名的關(guān)于斜壓不穩(wěn)定的博士論文 [16] 之后，在芝加哥氣象學(xué)派創(chuàng)始人羅斯貝（Carl-Gustaf Rossby）的介紹下，查尼赴普林斯頓高研院參加馮·諾依曼（ John von Neumann）組織的會議，討論如何利用電子計算機(jī)來預(yù)報天氣。這次會議具體討論了些什么已不得而知，但其最大的意義，或許在于讓查尼和馮·諾依曼相識。
查尼意識到，馮·諾依曼對物理問題有很好的品味和熱情，而一個關(guān)于大氣大尺度運動的合理理論一定會在普林斯頓大受歡迎，且極有可能會被用于新生的電子計算機(jī)中預(yù)報天氣。這讓查尼無比興奮?；氐街ゼ痈绾?，他迫不及待地給馮·諾依曼寫信，表達(dá)想去普林斯頓開展研究的愿望。但這封信一直沒有寄出 [17]。
時機(jī)尚未成熟。
早在20世紀(jì)20年代，查尼的前輩、理論氣象學(xué)家理查德森（Lewis Fry Richardson）就曾嘗試?yán)梦锢矸匠踢M(jìn)行預(yù)報，但以失敗告終。這很大程度上是由于高頻波動如聲波、重力波等的干擾 [17]。如果想要發(fā)展一套理論在計算機(jī)上進(jìn)行天氣預(yù)報，就必須要解決這一問題。
但其實并沒有花太久，查尼就解決了這個問題。1947年，在寫給湯普森（Thompson）的信中，查尼提到了這一后來被稱為 “準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論” 的工作，它可以很好地描述大氣大尺度運動，避免高頻波的干擾。
時機(jī)已經(jīng)成熟。1948年，馮·諾依曼邀請查尼領(lǐng)導(dǎo)其計算機(jī)項目的氣象小組。他的進(jìn)展非常快，很快完成了基于線性方程的預(yù)報。查尼和諾依曼興奮不已，準(zhǔn)備使用非線性方程正式進(jìn)行預(yù)報。為此，諾依曼還特地向軍方申請到了ENIAC計算機(jī)的使用權(quán) [17]。
1950年4月，第一個基于非線性方程的預(yù)報在ENIAC計算機(jī)正式運行。查尼等人全天候待命，但由于ENIAC的故障，這一次24小時的預(yù)報，花費還是超過了24小時。好在結(jié)果很理想，查尼很快將其在雜志上發(fā)表，并將之寄給理查德森，這位在幾十年前就曾嘗試?yán)脭?shù)學(xué)物理方程進(jìn)行天氣預(yù)報的先驅(qū)。這也讓理查德森非常興奮，他承認(rèn)，這一結(jié)果相對于自己幾十年前的預(yù)測，是科學(xué)上巨大的進(jìn)步 [17]。
自此，無數(shù)氣象學(xué)家、計算流體力學(xué)家前赴后繼地投入數(shù)值模式的發(fā)展中來，致力于以更完備的方程、更好的數(shù)值方案，更準(zhǔn)確地對天氣、氣候狀況進(jìn)行預(yù)報、預(yù)測、預(yù)估。而當(dāng)時間進(jìn)入70年代，隨著氣候問題越來越得到關(guān)注，氣象學(xué)家意識到，全球的大氣環(huán)流模式對于全球變暖的歸因至關(guān)重要。
同樣在普林斯頓，二十多年后，美國地球物理流體動力學(xué)實驗室（GFDL）的大氣動力學(xué)家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）發(fā)展了一個理想海陸分布下墊面的三維大氣環(huán)流模式，并模擬了二氧化碳加倍情景下氣候狀況的變化。根據(jù)他的模擬，二氧化碳若增加一倍（300ppm加至600ppm），全球平均溫度將上升2.93攝氏度 [18]。
這一結(jié)論為日后的IPCC第一次評估報告提供了重要論據(jù)。1988年，霍頓作為主要作者，組織全球科學(xué)家編寫第一次的IPCC報告。而就在此前一年，因?qū)σu擊英國南部的臺風(fēng)預(yù)報不佳，群情憤怒，《太陽報》的讀者蜂擁投票，要求開除時任英國氣象局長霍頓。晚年記憶模糊的霍頓，對此仍然印象深刻 [19]。預(yù)報不準(zhǔn)，是所有預(yù)報員的噩夢。
根據(jù)IPCC第一次評估報告，當(dāng)二氧化碳濃度相較于工業(yè)革命前增加一倍，全球平均溫度將上升1.5-4攝氏度 [13]。這里1.5-4的置信區(qū)間，是由于不同模式之間存在的差異。而差異可能來自于對方程進(jìn)行時空離散化的方案（動力框架）的不同，也可能來自于對不可解析過程參數(shù)化的差異，還可能來自于不同的輻射強(qiáng)迫等。如果模式足夠多，且相對獨立，那么就能更好地對不同模式進(jìn)行分析和比對，同時多模式平均還可以消除單個模式偏差。
在這種背景下，“模式比對計劃” 應(yīng)運而生。
IPCC第一次報告引用的數(shù)值模式，中國采用的模式來自于中國科學(xué)院大氣物理研究所 | 圖源：文獻(xiàn)[20]
1995年，世界氣候研究計劃（WCRP）推出第一次國際耦合模式比較計劃CMIP1，該計劃致力于氣候模式性能評估、對氣候進(jìn)行歷史模擬和未來預(yù)估。二十多年來，CMIP與IPCC相輔相成、互相推動，取得了巨大發(fā)展。CMIP1僅有10個模式參與，而到CMIP6，已有來自全球33個單位的100個以上的模式參與 [21]。
毫無疑問，對于全球溫升的模擬和歸因，CMIP是成功的。
我們知道，地球氣候狀況受氣候系統(tǒng)自身非線性過程（如厄爾尼諾，太平洋年代際振蕩；一般稱為內(nèi)部變率）和外部因子（外部強(qiáng)迫）的共同影響。而外部因子又分為自然強(qiáng)迫和人為強(qiáng)迫，自然強(qiáng)迫也就是自然產(chǎn)生的，如火山爆發(fā)、太陽黑子變化等；人為強(qiáng)迫由人類活動引起，如人為溫室氣體排放、人為氣溶膠排放等。
海氣耦合模式以及后來的地球系統(tǒng)模式的歷史模擬，對主要的強(qiáng)迫因子，如溫室氣體、火山活動、太陽黑子變化、氣溶膠等等因素通盤加以考慮。這些因子通過輻射效應(yīng)等參與模型中的物理過程，隨著物理數(shù)值模型不斷向前積分，最終，可以得到某種分辨率（取決于具體模型）的地球三維空間的巨量時空場數(shù)據(jù)。
對其中的溫度數(shù)據(jù)求取全球平均數(shù)，就得到全球平均溫度序列；而如果在一開始，將各個影響因子分離，做單一因子強(qiáng)迫的實驗，再如法炮制，就可以分別得到溫室氣體、氣溶膠等因子各自影響下的全球溫度序列。
從上圖不難看出，僅考慮火山、太陽黑子等自然因子的變化（上圖上部分），無法復(fù)現(xiàn)觀測的溫升現(xiàn)象。而考慮人類活動后（上圖下部分），所有模式全球平均溫度序列（藍(lán)色、黃色細(xì)實線）的趨勢均與觀測（黑色線）一致。而不同模式的平均（藍(lán)色、紅色粗實線），減少了單個模式的偏差，可以非常好地復(fù)現(xiàn)觀測到的溫度序列，無論是趨勢，還是量級。這種接近不是偶然，盡管還存在或多或少的偏差（如對云的模擬），但目前的模式對于地球氣候系統(tǒng)物理過程的描述已有相當(dāng)?shù)木取?/span>
此外，對全球溫度趨勢的模擬，不光在時間趨勢，在空間分布上同樣非常一致。
幾乎所有的模型都表明，近百年來的全球平均溫度上升主要歸因于人類排放的溫室氣體。換言之，人類排放溫室氣體導(dǎo)致全球升溫這一因果關(guān)系，在所有數(shù)值模式中都能得到驗證。如果不考慮人為排放的溫室氣體的作用，就無法解釋近百年來觀測到的增暖現(xiàn)象。
正如IPCC第五次評估報告所言，人類活動非常有可能（extremely likely）主導(dǎo)了1951-2010年來的全球平均溫度上升。這里的 “非常有可能”，并非虛指，而是被量化的。世界各國幾十個模式的比對表明，人類活動主導(dǎo)全球溫升的概率是95%~100% [22]。
2021年，IPCC第六次報告《自然科學(xué)基礎(chǔ)》發(fā)布。報告引用了14000多篇論文，共有來自66個國家的234位作者參與。這次的報告再次確認(rèn)了人類活動與全球溫升之間的因果關(guān)系。同時，估計二氧化碳濃度加倍（相較于工業(yè)革命前），全球平均溫度將上升2.5~4攝氏度，不確定性范圍被進(jìn)一步縮小。
但是，與幾十年前真鍋淑郎2.93攝氏度的結(jié)果相比，其實并未相差太多。這也讓許多科學(xué)家開始懷疑，如此不厭其煩地重復(fù)已知的結(jié)論到底還有沒有必要 [23]？
1996年，因成功解釋氯氟碳化合物（CFCs）破壞地球臭氧層的機(jī)理而獲諾貝爾獎的大氣化學(xué)家舍伍德-羅蘭（Sherwood Rowland）曾經(jīng)說到：如果我們愿意做的就是坐以待斃，那科學(xué)家不斷發(fā)展更精準(zhǔn)的模式預(yù)測有什么意義 [23]？
而今天，面對全球變暖，這句話仍然適用。
對于人類活動和全球變暖的因果關(guān)系，霍頓們已經(jīng)講了三十多年，質(zhì)疑仍然如影隨形，行動仍然遲緩。全球變暖的原因和后果，幾十年前就已被預(yù)警。但是，就像一樁事先張揚(yáng)的 “謀殺案”，人類眼睜睜看著這場災(zāi)難，一步步臨近眼前。
就在IPCC第六次報告編寫期間，因一場和全球變暖一樣的全球性災(zāi)難——新冠疫情，霍頓——這位人類的烏鴉和花拉子模信使，離開了這個日益燥熱的世界。
他的孫女回憶到：“終其一生，掮客和資本始終在干擾他的工作，質(zhì)疑他的動機(jī)，企圖分散公眾對證據(jù)的注意。但是，我對他另一份恒久的記憶，是他畢生服務(wù)于上帝，服務(wù)于他深愛的這個世界的深切信念。” [19]
陳昱同、唐顥蘇、顧樂天對本文亦有貢獻(xiàn)。
制版編輯 | 盧卡斯
