大氣萬千，從諾獎到輻射對流平衡模式的前世今生_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-10-22 12:34
審核 | 林巖鑾（清華大學地球系統科學系教授）
聽説今年的諾貝爾物理學獎“不太物理”？
10 月 5 日，2021 年諾貝爾物理學獎正式揭曉，其中一半授予兩位氣候學家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）和克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann），以表彰他們“對地球氣候的物理建模、量化可變性並對全球變暖進行可靠預測”。
他們是研究地理的嗎？
為什麼能得物理學獎？
是為了政治正確嗎？
清氣協的第一篇科普推送，就首先來介紹真鍋淑郎和理查德·韋瑟爾德（Richard Wetherald）在上世紀六十年代提出的“輻射—對流平衡模式”（Radiative-Convective Equilibrium Model，後文簡稱為 RCE model），談談它的起源、思想和重要影響，希望可以解答你的疑惑。
1 背 景
在諾貝爾獎的官方網站上，關於 Manabe 的主要貢獻圖示裏包括他所建立的氣候模型，以及該模型模擬隨着二氧化碳濃度變化的大氣温度變化。Manabe 開創性地研究了輻射平衡與對流熱通量的相互作用，並且考慮了水循環對加熱大氣的貢獻。該模型顯示，隨着二氧化碳的加倍，地表平均温度將會上升約 2.4˚C。
第二張圖正是出自 Manabe 和 Wetherald 1967 年在《大氣科學雜誌》上發表的論文《給定相對濕度分佈的大氣熱平衡》，它可能是最偉大的氣候學論文之一，此前，在 IPCC 評選最有影響的氣候變化文章時，這篇論文獲得了 8 次提名，而此外的論文所獲提名不超過 3 次。
這項開創性的工作基於非常基礎的物理原理，解答了當時氣候學界最關心的科學問題。模型採用了當時對於大氣複雜輻射傳輸過程的最新認知、對大氣成分分佈的最新觀測結果，但關鍵思想非常簡潔，可以從短短的一篇推送中略窺一二。
2 Manabe的輻射對流平衡模式
地球系統中的輻射可以粗略的分為兩種：來自太陽的短波輻射和來自地球的紅外長波輻射，後者根據我們所熟知的黑體輻射定律，與地球中各個成分的温度有關。最簡單的能量平衡模型認為，將整個地球系統看做一個整體，它所吸收的太陽能量和以長波輻射形式逃逸的能量相等。
單柱輻射平衡（Radiative Equilibrium）模型則稍複雜一些，雖然仍不考慮不同經緯度的差異，卻將大氣垂直分層，考慮垂直方向的能量分配。每一層大氣的被加熱或冷卻的速率與它所收到的淨輻射有關，而這層大氣自身傳輸給其他層的輻射又與自身的温度有關。確定了內部的方程之後，還需要考慮大氣層頂和地表的邊界條件，例如給定適當的能量通量。在足夠的近似時，温度的垂直分佈可以被解析求得。類似的模型、包括所用的近似同樣被天體物理學家用於計算恆星的輻射傳輸。
與真實的大氣温度垂直分佈相比，輻射平衡給出的分佈在大氣高層吻合較好，但在大氣低層偏離較大，具體的問題是温度的垂直梯度過大，也就是説下層的氣團總比正上方的氣團熱很多；地表則更加炙熱，達到了 60˚C 左右，低層大氣就像開水壺裏的水，從下方被加熱，下層流體的密度變低，從而受到向上的浮力。真實大氣中這種情況是不可能存在的，而是會發生對流過程。因此，Manabe 等在模式中引入了對流調整。
右：流體被加熱後產生對流（圖源：參考文獻 9）
對流調整是對模型施加限制，使得下層空氣的密度不高於上層。大氣密度受到温度、水汽含量等多種要素的影響，但早期的版本只考慮了温度的影響。在實際計算中，採用逐步迭代的方法，一旦温度梯度大於規定值時，認為發生對流調整，使温度分佈回到規定值。如此一來，對於任一高度層上的大氣，短波輻射、長波輻射和對流造成的熱通量達到平衡，稱為輻射對流平衡。根據大氣的真實情況，最終的模型規定在平流層滿足輻射平衡，在對流層滿足輻射對流平衡。
基於當時對温室氣體垂直分佈的最新觀測，模型成功給出了與觀測極為相近的大氣温度垂直分佈曲線。此外，Manabe 等還做了幾組試驗，包括是否考慮水汽隨温度響應造成的氣候反饋，以及改變臭氧、水汽、二氧化碳這幾種具有輻射效應氣體的濃度甚至有無，緊隨其後的研究還進一步模擬了雲的輻射效應。
隨着大氣温度的升高，能容納的水汽含量也就越高，而水汽同樣是一種重要的温室氣體，反過來可以可以改變大氣的温度及熱力結構，這種複雜的相互作用稱為水汽反饋。通過固定相對濕度和絕對濕度的對照試驗，Manabe 等適當地計算出，水汽反饋能將二氧化碳造成的增温提升到原來的 1.8 倍。
而對於大氣成分的研究説明，本研究是普適性的，不僅僅針對二氧化碳。這種研究大氣成分的直觀方法隨後被輻射強迫這一概念取代。
3 二氧化碳與温室效應
當然，不可否認的是，對二氧化碳温升效應的定量估計，是 Manabe 的研究被後人銘記的重要原因。
對温室效應的研究可以追溯到十九世紀，Fourier 指出温室氣體會影響行星能量平衡，Tyndall 隨後發現所謂的温室氣體包括二氧化碳和水汽，而 Arrhenius 則已開始嘗試將地表温升和二氧化碳濃度的上升聯繫起來。十九世紀到二十世紀初，人們對光子的吸收和發射過程建立理解，成為輻射傳輸理論的基礎；而實驗室對大氣成分在不同波段的輻射效應測定直到二十世紀中後期才告一段落。
但温室效應取決於温室氣體濃度和大氣温度的垂直分佈，在二十世紀五十年代之前，研究二氧化碳對地表温度效應的研究為過於簡單的輻射表述所侷限。直到輻射傳輸模型的發展，終於可以適當地考慮輻射和温度的相互作用。
登載在諾獎官網的這組曲線是文章中的二氧化碳加倍/減半試驗。其中 300ppm 是工業化之前地球歷史上大氣二氧化碳濃度最高水平，在該研究進行的時候，這個濃度已經超過了320ppm，而到了2021年，這個濃度已經增長到超過 410ppm。
模型顯示，當二氧化碳濃度加倍到 600ppm 時，地表温度會增加 2.4˚C，減半到 150ppm 時，地表温度會降低 2.3˚C。二氧化碳相較於工業化前的參考值加倍（或四倍）達到新平衡態後的試驗，隨後成為氣候研究的標準試驗，所對應的增温被稱為平衡態氣候敏感度（equilibrium climate sensitivity，ECS）。Manabe 等用簡單模式給出的敏感度估計直至今日仍不過時——在 2021 年最新發布的IPCC第六次評估報告中給出的估計是很可能位於 2.1-7.7˚C 的區間。
氣候敏感性並不是我們能從試驗結果中得到的唯一結論。温升不是僅發生在地表，而是整個對流層幾乎同步地增温。而在平流層，二氧化碳帶來的是降温效應。儘管現在我們已經可以從輻射傳輸的基本方程來概念性地理解這一點，但這篇論文仍然是首先提出這一事實的研究。
4 第一代全球氣候模式
認為 Manabe 的研究“聚焦於全球變暖問題”是不恰當的，因為這份工作更加深遠的意義在於其衍生出現代氣候模式的發展。
隨後的二三十年裏，逐漸壯大的團隊向他們的氣候模型中加入更多的要素，包括海洋、平流層、大氣化學過程等，Manabe 在其中領導了與海洋耦合的模式開發。1988 年，隨着 IPCC 的成立，他所在機構共同開發的模式結果作為科學支撐參與其中，全球氣候模式的成果正式走向公眾的視野。
5 今日的RCE模式
時至今日，Manabe 的一維RCE模式已成為諸多教科書上的重要章節。這個模型足夠複雜，適當地考慮了大氣中主要的温室氣體與大氣熱力結構本身的複雜相互作用，但也足夠簡潔，在當時計算機發展水平十分有限的情況下，不會耗費過多的計算資源。
隨着計算機運算能力的不斷增長，對這種高度簡潔概括模型的需求似乎已成為過去。如今的氣候模式不僅在空間的水平和垂直方向都更加精細，更是在模式中考慮到更多大氣以外的圈層。正如上文所提到的，Manabe 本人也熱衷於為他的方法增添更多的複雜成分。
然而，輻射對流平衡模式並未被髮展後的系統模式和諸多科學概念完全取代，如今仍是研究氣候科學問題的有力工具。從將對流高度簡化的簡單模型，到顯式表示對流的雲解析模型，這一類理想模型仍然在幫助我們闡明真實的複雜氣候系統中最為關鍵和本質的部分。
一個重要的例子是對流、雲和輻射的複雜相互作用——在目前世界上最先進的全球氣候模式中，對流和雲的模擬效果仍然有較大的偏差和不確定性。作為全球或者熱帶大氣平均狀態的理想模型，科學家們仍然在使用理想化的RCE模式研究許多有趣的問題，例如：對流系統是否會自發聚合？對流系統的組織反過來如何通過輻射-水汽-表面通量-對流等之間的反饋機制影響氣候系統？考慮了地球旋轉之後，模擬出的理想“颱風”能否幫助我們理解颱風的生成、頻數問題以及其在氣候系統中的作用？
一個重要原因是 RCE 模型在水平均質邊界條件處理上的高度簡潔性，能幫助學界認識最基本的準平衡系統響應問題。儘管由於引入了交互式的輻射傳輸、表面通量、對流等參數化模塊，如今的RCE模型可以自行決定其雲層、水汽以及温度垂直分佈，以至於如今在氣候模式和更高分辨率的雲解析模式中的 RCE 與早期單柱 RCE 模型已經有明顯的差別，但更復雜的 RCE 模型依然能產生與單柱 RCE 類似的温度曲線，能讓我們在大尺度約束良好的情形下討論更為複雜的輻射對流問題。
6 縱觀寰宇與去繁就簡
也許你還記得，幾個月前中國科學院的地球系統數值模擬裝置“寰”（Earth Lab）走入了公眾的視野。如今大多主流氣候模式已經考慮大氣、海洋、陸面、冰凍圈等各圈層的模擬，向進一步考慮了碳氮循環、生物地球化學等過程的地球系統模式進步，而我國的科學大裝置還打算進一步耦合空間天氣、大陸冰川和固體地球模塊。
考慮更多的複雜性是未來的發展方向，模式的先進性更是側面體現了我國的綜合國力，當然，理想簡化模式仍然在為氣候模式的發展做出貢獻，一方面可以檢驗不同複雜度的模式對物理過程模擬的穩健性，另一方面也可以為複雜模式中的參數化方案發展而服務。
在滿足社會需求的前提下，物理本質始終是氣候學家們的追求。五十餘年後的今天，當我們重新回顧經典理論時，就會發現，一些科學家選擇了“縱觀寰宇”，而另一些選擇了“去繁就簡”，他們都在為大氣科學，乃至物理學，做出堅實的貢獻。
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本文經授權轉載自微信公眾號“氣藴紫荊”。