物理群星
真锅淑郎 肖像

图:Bengt Nyman,2018 年摄于斯德哥尔摩克拉福德奖 / Wikimedia Commons / CC BY 2.0

真锅淑郎

Syukuro Manabe

1931–今 · 生于日本爱媛县新宫村 · 日本 / 美国

热学与统计

1967 年他算出「二氧化碳翻倍,地表升温 2.3 度」——半个多世纪过去,这个数几乎没动

诺贝尔物理学奖 2021 对地球气候的物理建模,量化其变率并可靠地预测全球变暖

真锅出生在四国山里的一个村子,祖父和父亲是村里唯一那家诊所的医生,骑马进山出诊。家里理所当然地希望他学医。

他自己不这么想。用他后来的话说:一遇到急事血就往头上涌,我当不了好医生;记性也差,手也笨;「我唯一的长处大概是望着天空发呆」。

于是他去了气象学。

把大气压成一根柱子

1959 年他到美国,进了后来的地球流体动力学实验室,一待三十八年。

当时的问题是这样的:谁都知道二氧化碳会吸收红外辐射,阿伦尼乌斯 1896 年就算过一次。但把大气当成一层静止的气体来算辐射平衡,会得出一个荒唐的结果——温度随高度下降得比真实大气陡得多,每公里降 15 度左右。真实的大气只降 6 度。

原因不在辐射,在对流。层结太陡时空气会自己翻上去,水汽在上升中凝结、放出潜热,把温度廓线拉回一个较缓的斜率。1964 年真锅与斯特里克勒的办法直截了当:算完辐射,只要廓线比湿绝热递减率更陡,就把它调整回来。这一步叫对流调整。

1967 年,他与韦瑟拉尔德在这个一维柱模型里加进了另一件关键的事:固定相对湿度而不是绝对湿度。观测表明相对湿度大致稳定,于是变暖会带来更多水汽,而水汽本身是最强的温室气体——正反馈就这样进了模型。

算出来的数是:二氧化碳浓度翻一倍,地表升温约 2.3 度。

从一根柱子到整个地球

一维模型只有高度,没有地理。接下来的十年他把维度补齐。

1969 年与布赖恩做出第一个大气-海洋耦合模型——海洋是气候系统里最大的热库,不把它算进去,任何长时间尺度的预测都不可信。1975 年,他与韦瑟拉尔德用三维环流模型重做二氧化碳翻倍实验,跑在一台内存约半兆字节的计算机上,得到 2.93 度。

半个世纪后,超级计算机的算力增长了十几个数量级,卫星把全球观测铺满,而今天给出的气候敏感度区间是 2.5 到 4 度。

当年那个数没有被推翻。这在物理学里是件很硬的成绩:一个 1967 年用一根柱子算出来的结论,经得住此后所有更复杂的模型。

一件被反复误解的事

「天气都预报不准,凭什么信几十年后的气候」——这是最常见的质疑,而它把两件事搞混了。

天气是初始条件问题,误差指数增长,两周之外无从谈起。气候是边界条件问题:往系统里多加多少温室气体、太阳给多少能量,决定的是统计意义上的平均状态。真锅的模型算的从来不是「2075 年 8 月 3 日东京多少度」,而是「二氧化碳翻倍之后,地球的能量收支要在哪个温度上重新平衡」。

这个区别,正是他的同代人哈塞尔曼后来用一套随机模型讲清楚的。

代表方程

对流调整

Γ纯辐射≈−15 ∘C/kmΓ湿绝热≈−6 ∘C/km\Gamma_{\text{纯辐射}} \approx -15\ ^\circ\mathrm{C/km} \qquad \Gamma_{\text{湿绝热}} \approx -6\ ^\circ\mathrm{C/km}

只算辐射传输的话,大气温度随高度下降得比真实情况陡得多,因为这样的层结本身不稳定,空气会翻上去。真锅的办法很直接:一旦算出的温度分布比湿绝热递减率更陡,就把它「调整」回来。这一步让一维模型第一次给出接近真实的大气廓线。

气候敏感度

ΔT2×CO2=2.3 ∘C(1967, 一维模型)=2.93 ∘C(1975, 三维模型)\begin{aligned} \Delta T_{2\times\mathrm{CO}_2} &= 2.3\ ^\circ\mathrm{C} \quad (1967,\ \text{一维模型}) \\ &= 2.93\ ^\circ\mathrm{C} \quad (1975,\ \text{三维模型}) \end{aligned}

大气二氧化碳浓度翻一倍,全球平均地表温度升高多少。1967 年的一维模型给 2.3 度,1975 年的三维模型给 2.93 度。今天用超级计算机、卫星资料与几十年观测得到的区间是 2.5 到 4 度——半个世纪的算力增长,没有推翻当年那个数。

伟大发现