2021年诺贝尔物理学奖首次被授予气候学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）和克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann），以表彰他们在地球气候的物理模拟和气候变化科学领域的贡献。应《中国科学》杂志邀请，我所周天军研究员联合瑞典哥德堡大学陈德亮教授（瑞典皇家科学院院士、中国科学院外籍院士）、加拿大环境和气候变化部张学斌研究员（加拿大皇家科学院院士）、德国马普气象研究所李超博士等，以《2021年诺贝尔物理学奖解读：从温室效应到地球系统科学》为题，在《中国科学：地球科学》撰文，对两位获奖人的工作进行了解读，并从历史的维度，回顾了从1827年温室效应被提出到2021年诺贝尔物理学奖被首次授予气候学家这195年间气候变化科学的发展历程，对气候变化科学的发展规律和未来学科发展方向进行了讨论。论文最近在线发表于《中国科学：地球科学》。

　　论文首先对获奖成果进行了扼要解读，指出围绕着工业革命以来全球气候的增暖问题，科学界面临两个核心问题需要回答，一是如何从物理上诠释二氧化碳（CO2）对全球气候变暖的作用并准确预测其影响，二是人类活动对工业革命以来的全球增暖到底有多大贡献。真锅淑郎与其合作者理查德·韦瑟尔德（Richard Wetherald）等的工作清晰地回答了第一个问题，首次可靠地计算了CO2浓度加倍后全球温度的变化。其科学贡献主要包括两个两面：首先，通过考虑辐射平衡与对流的相互作用，并考察水汽的温室效应，可靠地预测了二氧化碳浓度加倍导致的全球变暖。第二，研发了世界上第一个考虑了三维大气环流的气候模式，从而衍生发展出现代气候模式，开启了基于地球流体动力学和热力学规律的三维气候模式的发展，在气候变化研究中发挥了无可替代的作用。

　　克劳斯·哈塞尔曼在气候领域的学术贡献主要包括：首先，提出了描述气候系统的随机气候模型，把长时间尺度的气候变率解释为短时间尺度的天气过程的“累积”，从而在混沌随机的天气过程和慢变的气候状态之间架起了桥梁，解释了气候系统低频内部变率的成因。第二，提出包括温室气体在内的外部影响因子会在气候系统中留下特定的“指纹”，通过分离出这种指纹，可以检测出人类活动引起的气候变化。这是开展气候变化检测归因研究的理论基础。哈塞尔曼的两项成就，一是解释气候系统低频内部变率的成因，二是提炼气候变化信息的工具，这对于我们定量估算人类活动在气候变化中的贡献来说都是不可或缺的。正是基于检测归因技术，政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告得出结论，“毋庸置疑，人为影响正在使得大气、海洋和陆地变暖。2010-2019年相对于1850-1900年，人为导致的总的全球表面温度变化最佳估计为1.07°C”。

　　随后，如图1所示，论文以时间为序，回顾了1827年以来气候变化科学发展所经历的11个重要阶段，指出气候变化科学跨世纪的成果积累，是真锅淑郎等在全球变暖物理机理研究上取得突破的重要支撑。这也意味着，气候变化科学作为一门具有严格数学和物理基础的科学，被科学界更为广泛地认同。

图1. 全球变暖科学历史上的重要阶段性工作

　　通过回顾从提出随机气候模型到寻找人类活动影响的最优指纹发展史，文章指出明确是人类活动导致了气候增暖这一结论，为国际社会采取行动来适应和减缓气候变化提供了重要科学基础。从提出随机气候模型理论到通过“最优检测”来寻找人类活动影响的“指纹”，哈塞尔曼为回答“人类活动对气候变化有多大影响”这一问题做出了卓越贡献。从他基于湍流研究得到的启示建立随机气候模型来理解气候系统自然内部变率的起源，再到借助信息领域的“信号”处理技术来建立检测归因的方法，哈塞尔曼向我们完美地展示了学科交叉的长处。

　　文章指出，与传统的物理学在关键方向上的突破方式不同，气候物理学的任何突破，都需要建立在学科发展长期积累的基础之上。今年获奖气候学家的突破，是建立在以下几方面重要进展的基础之上的。

　　首先，观测事实的积累发挥了举足轻重的作用。

　　第二，气候物理学理论的日臻完善是成果被认同的基础。

　　第三，气候系统科学的形成为认识气候变化提供了全局视野。标志是气候系统科学多圈层相互作用概念的形成。

　　第四，地球系统科学的形成拓展了气候变化研究范畴。标志是1988年提出的著名的“布雷瑟顿简图”（Bretherton Diagram）（图2），清晰地描绘了地球系统圈层相互作用的关键过程及人类活动的影响。

　　第五，IPCC通过其科学评估报告，极大地推动了气候变化科学研究。

　　第六，依托高性能计算机的发展，数值模拟技术已经和理论研究、观测研究一道共同成为支撑现代气候学研究的三大手段（图3）。

　　论文总结指出，以真锅淑郎和哈塞尔曼为代表的气候学界百余年的努力和积累，为工业化以来的全球变暖成因问题提供了清晰的答案，如同诺奖官方新闻稿写道，“我们不能再说我们不知道，因为气候模式是明确的；地球在升温吗？是的；是因为大气中温室气体含量的增加吗？是的；可以仅仅用自然因素来解释吗？不能；人类的排放物是温度升高的原因吗？是的”。展望未来，下一个需要气候学界回答的问题大概率会是：“请告诉我们如何应对”。为了适应国际社会应对气候变化的需求，下一代地球系统模式研发已经被提上日程。未来的地球系统模式，将在地球系统五大圈层——大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈和岩石圈表层——的基础上加入“人类圈”系统（图4），能够支撑我们探究“人类圈”和“五大圈层”之间的相互作用规律、可靠地预测未来，从而为气候变化应对、自然灾害防御、能源和农业等涉及可持续发展的行动提供科技支撑。

　　论文最后强调，从温室效应到气候系统再到地球系统，概念提升背后反映的是人类对地球环境认知水平的巨大提升，以及人类可持续发展对气候科学日益提高的科学支撑需求。气候科学建立在物理学的基础之上，并极大地受益于数学、化学和生物学的发展，以及高性能计算机、空基和地基遥测遥感技术的整体支持。未来的地球系统研究同样离不开理论和观测、多学科的交叉以及新技术的支撑。

图2 布雷瑟顿简图示意图，描绘了地球系统圈层相互作用的关键过程及人类活动的影响，其中青色部分为物理气候系统，浅绿色为生物地球化学循环等地球系统过程。

图3. 为CMIP做出贡献的模式研发中心的全球分布。分别给出了所在城市、研发单位以及各模式参与CMIP1到CMIP6以及CORDEX的情况。（不同的颜色表示参加不同阶段的CMIP，颜色越多表示模式参与的历史越长）

图4. 地球系统模式发展的历史、现状和未来：从气候系统模式到地球系统模式，未来的地球系统模式将在物理气候系统基础上耦合生态环境系统和人类圈。圆柱体高度表示模块的完善和复杂程度（在IPCC AR5的图1.13基础上，增加IPCC AR6的模式信息和模式研发领域最新动态设计绘制）。 

　　论文链接：

　　周天军，张文霞，陈德亮，张学斌，李超，左萌，陈晓龙，2021：2021年诺贝尔物理学奖解读：从温室效应到地球系统科学. 中国科学:地球科学, https://doi.org/10.1360/SSTe-2021-0338