当地时间10月5日，瑞典皇家科学院宣布，2021年诺贝尔物理学奖的一半将授予日裔美国科学家舒朗·库努库和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼，他们因在“地球气候的物理建模、量化变异性和可靠预测全球变暖”方面做出的开创性贡献而获奖；另一半奖金颁给了意大利科学家乔治·帕里西，他“发现了从原子到行星的物理系统中无序和涨落之间的相互作用”。
三位科学家分享了诺贝尔物理学奖。一时间官网诺贝尔奖拿了，各网络平台都被这条新闻刷屏了。很多人提出疑问:气候研究也能获得诺贝尔物理学奖。为什么这个奖会颁给有争议的全球变暖研究？许多气象专家感到兴奋和惊讶。
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诺贝尔物理学奖颁给了气象学家？
“以前的诺贝尔物理学奖主要颁给做基础物理研究的人。这次是颁给模拟和预测气候变化的科学家，所以整个学术界既惊讶又惊喜。”中科院大气物理研究所研究员余永强说。从1901年物理学家伦琴因发现X射线获得第一个奖项开始，诺贝尔物理学奖已经跨越了100多年，可谓伴随着现代物理学乃至整个现代科学的发展。在这100多年间，诺贝尔物理学奖获得者的研究领域从宏观到宇宙探索，从微观到原子结构，从理论物理和粒子物理到凝聚态物理和天体物理。但是，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。
诺贝尔奖没有气象奖，只有物理、化学、生理或医学奖、和平奖、文学奖、经济学奖。气象学家或相关研究和成果只能通过其他领域获得诺贝尔奖。比如1995年，气象学家保罗·克鲁岑、马里奥·莫利纳和弗兰克·罗兰获得诺贝尔化学奖；2007年，政府间气候变化专门委员会(IPCC)与美国政治家阿尔·戈尔共同获得诺贝尔和平奖，原因是“努力建立和传播人为气候变化的知识，并为制定应对这种天气的措施奠定基础”；2018年经济学奖授予将气候变化因素纳入经济模型的成就。
“近年来，诺贝尔物理学奖有时会授予看似不那么纯粹的物理学领域。一方面说明基础物理有硬骨头要啃；另一方面说明诺贝尔奖开始逐渐关注科学研究对人类社会的影响。”普林斯顿大学的研究员杨文昌说。02
预测地球未来的“水晶球”存在吗？
曾经统治地球的物种恐龙的灭绝假说中，有一个是气候变化理论。这个假说认为，大约6600万年前，行星撞击地球导致的气温骤降是恐龙灭绝的重要原因。这样的事件以后还会发生吗？历史上造成气候突变的关键因素除了陨石撞击还有哪些？未来地球气候会如何变化？几十年后是继续变暖还是进入“冰河时代”？暴雨和飓风等极端天气和气候事件会变得更加频繁吗？阔·舒朗和克劳斯·哈塞尔曼的研究试图创造一个“水晶球”，帮助人类预测这些问题的答案。而这些答案很可能关系到人类未来的生存，从而避免灾难电影《永别了亚特兰蒂斯》中那种可怕的场景。▲日裔美国学者真舒朗。
郭树朗是气候模拟的开创者之一，被称为“温室气体之父”。他的研究表明了大气中二氧化碳浓度的增加是如何导致地表温度上升的。20世纪60年代，在全球变暖成为广泛关注的问题之前，在美国地球物理流体动力学实验室工作的舒朗·真由和他的合作者开始开发第一个气候模型。他也是探索辐射平衡和气团垂直输送之间相互作用的第一人。当时计算机的运行速度比现在慢几十万倍，所以这个模型比较简单，但它的估计值和现在高度复杂的数值模型的计算结果非常接近。
例如，IPCC 2021年8月发布的第六次评估报告第一工作组的报告指出，二氧化碳含量增加一倍，全球气温将上升2.5℃~4℃，最佳估计为3℃。IPCC之前的第五次评估报告给出的评估范围在1.5℃~4.5℃之间，而舒朗国家模式计算的结果是2.36℃。
“舒朗·真由是基于数值模型定量估算二氧化碳对气候影响的先驱。50多年前，他的数值模拟研究工作是建立在严谨的数学和物理基础上的，并且经过了长期的检验，这说明他不仅非常有远见，而且对地球科学和人类社会的可持续发展也有很大的影响。这次舒朗新吾获得诺贝尔物理学奖，体现了全球对气候变化的重视，以及基础科学对气候研究的重要性。”余永强说。03
如何探索气候变化的“指纹”？
贞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。亚马逊雨林的一只蝴蝶扇动了几下翅膀，可能会在两周后引发美国德克萨斯州的龙卷风。那么为什么气候模型仍然可靠呢？哈塞尔曼创建了一个链接天气和气候的模型，并回答了为什么气候模型即使在天气多变混乱的情况下仍然可靠的问题。▲德国学者哈塞尔曼
将哈塞尔曼的混沌天气现象考虑为快速变化的噪声，并证明了这种噪声是如何影响气候的，从而为长期气候预测奠定了坚实的科学基础。受爱因斯坦布朗运动理论的启发，他创建了一个随机气候模型，证明了大气的快速变化实际上会导致海洋的缓慢变化。
哈塞尔曼还开发了一种新方法，来识别自然现象和人类活动在气候变化中留下的“线索”。他发现，太阳辐射、火山颗粒或温室气体浓度的变化都会在气候系统中留下独特的信号，这些信号可以被识别，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探测的方法，从而将人类活动与自然过程区分开来，为人类活动影响地球气候系统建立了明确的科学依据。他的方法被用来证明大气温度的上升是由人类活动排放二氧化碳引起的，这已成为当前全球气候学家的共识。
“舒朗振国和哈塞尔曼是IPCC报告的作者，他们的研究为理解气候变化和预测全球变暖做出了巨大贡献。”IPCC第六次评估报告第一工作组联合主席翟潘茂说。2005年，《科学》杂志庆祝125周年时，首次向世界公布了125个最具挑战性的科学问题，包括温室效应会导致全球气温升高到多高？是什么导致了冰河世纪？“舒朗·真由和哈塞尔曼在回答这些重要问题方面做了开创性的工作，影响了当前气候研究的整个面貌。”杨文昌说。关于全球变暖的科学事实，人类已经探索了200多年。关于全球变暖将给人类社会带来的灾难，科学界已经大声疾呼了30多年。然而，全球公众对气候变化的事实和原因仍有许多疑问。舒朗和哈塞尔曼的研究表明，我们对气候的了解是建立在对观测结果的严格分析基础上的，是建立在坚实的科学基础上的。
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复杂系统游走于混沌与有序之间。
与库努库·舒朗和哈塞尔曼相比，乔治·帕里西的研究更侧重于微观尺度。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础。这些成就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，它们被应用于物理之外的许多领域，如数学、生物学、神经科学和机器学习。▲意大利物理学家乔治·帕里西
三位科学家都因对“混沌和明显随机现象”的研究而获奖，以表彰他们对复杂物理系统理解的开创性贡献。因此，“复杂系统”成为今年诺贝尔物理学奖的关键词。复杂系统涉及的领域很广，从生命到宇宙到人类社会，都是牵一发而动全身的复杂系统。
以气候系统为例，地球气候受气候系统本身非线性动力过程引起的内部多变性和外部因素的影响。外界因素分为自然强迫和人为强迫，自然强迫是自然的，如火山爆发、太阳黑子变化等。这种强制性是由人类活动造成的，如人为温室气体排放、人为气溶胶排放等。
可见，复杂系统是配得上复杂这个词的，它的研究真的太难了。针对自然界中相对规律有序的现象，我们可以运用微分方程、动力系统、群论等大量的数学物理工具进行确定性的分析和研究。针对无序的随机现象，我们可以运用概率论、统计物理等大量理论工具来研究其宏观统计特征。然而，复杂系统同时具有确定性和随机性的特点，传统的分析工具已经不能满足目前的研究需求。所以，这方面哪怕一小步，都是了不起的。“气候科学是以物理学为基础的。两位气象学家的研究为理解人类活动引起的气候变化和发电机的产生做出了基础性的贡献，为我们理解气候系统及其变化奠定了基础。今天，气象学家正站在这些巨人的肩膀上继续前进。”中国工程院院士丁说。结束
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中国气象报社制作
作者:吴鹏
专家:IPCC第六次评估报告第一工作组联合主席翟攀茂、中国工程院院士、中国科学院大气物理研究所研究员丁、美国普林斯顿大学研究员余永强
图片:新华网钛媒体Tencent.com等
编辑:迈克尔
审核:苗
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