诺贝尔奖属于复杂系统！这个在气候变化中为人

瑞典皇家科学院 10 月 5 日宣布，2021 年诺贝尔物理学奖被授予“对我们理解复杂物理系统的开创性贡献”。

一半授予90岁的日裔美籍科学家，美国普林斯顿大学的高级研究员真锅淑朗，以及德国马克思普朗克研究所的克劳斯·哈塞尔曼 “以表彰他们对地球气候的物理建模、量化变化和可靠地预测全球变暖的贡献”。另一半授予意大利理论物理学家乔治·帕里西，“以表彰他发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落之间的相互影响”。

可说了这么多，到底什么是复杂物理系统？

所谓的复杂系统，重点就在复杂上。因为所有的复杂系统，都是由许多不同的相互作用组成的。物理学家们已经对它们进行了几个世纪的研究。这些复杂系统，难以用数学来加以描述。

以全球气候模拟建模为例，地球气候是大气、海洋、地表和冰冻圈（雪、冰和永久冻土）中许多过程之间相互作用的结果。如高纬度地区，光照及热量有限，因此布满冰雪。冰雪又增加了反射率，进一步降低了热量的吸收。海洋中不同的洋流，也会使得近海地区升温升湿或降温减湿。并且，地表的不同地形对水汽的运输，也有很大的影响。

除此之外，随着温室气体的排放，气候逐渐变暖，进而又导致永冻土和甲烷冰融化，最终使得温室气体加速流入大气，加剧温室效应，起到了积极的反馈作用。另外，由于温度上升使得冰雪覆盖率减少，从而降低了地球表面反射率，同样进一步加剧温室效应，加速冰雪融化，形成正反馈。然而，温室气体二氧化碳的排放又促进了绿色植物的生长，因光合作用又会减缓气候变化的速度。

同时，精确度也是一个至关重要的问题。一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可能在两周后在美国德克萨斯引起一场龙卷风。其原因在于：蝴蝶翅膀的运动，导致其身边的空气系统发生变化，并引起微弱气流的产生，而微弱气流的产生又会引起它四周空气或其他系统产生相应的变化，由此引起连锁反应，最终导致其他系统的极大变化。

可想而知，对于模拟全球气候，预测天气变化，可以说是异常复杂的问题。理清这些因素相互作用的结果，也就是所谓复杂系统的意义。

在20世纪60年代，真锅淑朗开发了一个具有水蒸气正反馈效应的辐射-对流平衡中大气的一维单柱模型。发现为了响应大气中二氧化碳浓度的变化，地球表面和对流层的温度应升高，而平流层的温度降低。辐射-对流模型的发展，是朝向综合大气环流模型迈出的至关重要的一步。这一成就令国际社会将注意力集中在全球变暖上，间接推动了成立联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）。

上图：真锅淑朗的气候模型

同时，他还领导了地球气候的物理模型的发展，并且是第一个探索辐射平衡和气团垂直运输之间关联的人。他的工作为当前气候模型的发展奠定了基础。大约十年后，克劳斯·哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的复杂模型，从而回答了为什么气候模型在天气多变和混乱的情况下仍能可靠的问题。他还开发了识别自然现象和人类活动在气候中留下的特定信号、踪迹的方法。他的方法同样可以证明大气层温度的上升是由于人类排放的二氧化碳所致。

上图：全球气候系统中许多过程和相互作用的示意图

因此，经过五十几年的发展，真锅淑朗用来处理大气环流的方法——全球气候模型也称作一般环流模型（GCM），早已不再是开始的样子。而是加入了地球水圈、冰雪圈、生物圈、人类圈等各种模式的耦合模式，更准确的名称是地球系统模式，简称ESM。

上图：ESM发展史

从最早的大气（atmosphere）到随后的陆面（land surface）、海洋和海冰（Ocean and sea ice）等等到较近的人类活动（Human Behaviour）、氮循环等等。可以说，ESM是朝着更加完善、更加全面的方向发展的。

上图：显示了气候模型中使用的概念

文章来源：《系统科学学报》 网址: http://www.xtkxxb.cn/zonghexinwen/2021/1010/687.html