2021諾貝爾物理獎:持續演變的氣候模式

  • 物理專文
  • 撰文者:陳毅軒 (普林斯頓大學)
  • 發文日期:2022-02-01
  • 點閱次數:943

這篇文章稍微回顧一下氣候模式的發展過程,知道一些歷史緣由,相信更能體會氣候模式的在科學上的成就。

2021年的諾貝爾物理獎,頒給普林斯頓大學的氣象學家真鍋淑郎 (Syukuro “Suki” Manabe),這是氣象學家首次獲頒諾貝爾物理獎。對所有大氣科學家來說,同感光榮。

我想,大氣科學家會同感光榮,是因為他們過去,當前以及未來的研究,都直接或間接的跟真鍋的研究相連。真鍋2021年獲獎時已是90歲高齡,他在六十年前的1960年代開始發展氣候模式,並用氣候模式來研究二氧化碳增加造成的全球暖化。此後,無數科學家持續發展和改良氣候模式,並用以研究地球氣候和氣候變遷。諾貝爾物理獎頒給真鍋來表彰他一生對氣候模式和氣候變遷的研究貢獻,同時也是表彰無數科學家,數十年下來的研究貢獻。

大部分的媒體報導都著重在真鍋對氣候變遷的研究貢獻,而比較少提到他對氣候模式發展的貢獻。這篇文章稍微回顧一下氣候模式的發展過程,知道一些歷史緣由,相信更能體會氣候模式的在科學上的成就。氣候模式已經發展了七十多年,但還是有許多可以改進的部分,還可以拿來研究許多有趣的科學問題,值得年輕學子投入。

 

何謂氣候模式

氣候指的是一個地區,長時間的大氣平均狀態,例如台灣的年降雨量,夏季平均溫度等。一般來說,需要30年以上的資料才能決定一個地區的氣候特徵。

氣候模式是一個有成千上萬行的程式碼的巨型電腦程式,用來模擬全球不同地區的氣候特徵。如果看過電影<阿凡達>的話,潘朵拉星上的場景都是電腦模擬出來的,但森林,光影,人物表情等看起來都很逼真,因為那些是根據真實世界的物理法則模擬出來的。

氣候模式也是根據物理法則,試圖去模擬出「逼真」的地球氣候。當模式能夠掌握到觀測的氣候特徵,科學家可以使用模式來研究氣候系統中的各種過程,例如太陽輻射,雲,人為活動等對氣候的影響。如果模式結果跟觀測不符,試著找出原因並修改模式。

科學家還可以調整模式裡的參數,用以研究過去和未來的氣候。比方說科學家可以改變模式裡頭的地球軌道,來模擬並研究冰河期的氣候特徵。科學家也可以提高模式裡二氧化碳濃度,來推估未來的氣候變遷。

氣候模式就像一個虛擬實驗室,可以做無數不同的實驗,幫助我們更了解所處的氣候系統。真鍋在訪談時常說,他玩氣候模式玩得很開心。

 

建立氣候模式

想模擬不同地區的氣候,可以把地球切分成一個個區塊,然後依據物理數學定律,計算每個區塊的大氣狀態隨時間的變化,例如氣壓,溫度,雨量等。這是個很大的挑戰。除了要找出複雜大氣現象背後的物理法則,解這些物理方程式也不容易。因為這些方程式都是非線性的,沒有數學上的解析解,必須倚靠數值方法。也因為解這些方程式需要龐大的計算量,必須倚靠電腦的幫助。

早期計算資源有限,1960年代真鍋和同事Richard Wetherald發展一個一維垂直氣候模式,將地球視為一個整體,完全不考慮不同地區的氣候差異。也因爲計算資源有限,這個模式只使用非常簡化的輻射和對流物理方程式,來計算地表以及不同高度上的大氣溫度,其他變數如相對濕度,二氧化碳濃度,雲量等都是給定的。

 

圖一-真鍋的氣候模式.png

圖一:真鍋和同事在1960年代發展的一維氣候模式,並用它來研究當地球二氧化碳增加時,地表平均溫度會如何改變。圖片來源:Noble Prize Website (https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2021/press-release/)。

 

即使是如此簡化的一維氣候模式,仍能模擬出很「逼真」的大氣和地表溫度特徵。於是,真鍋和Wetherald用這個模式來探討當大氣二氧化碳濃度上升時,地表平均溫度會如何改變。他們將模式裡頭的二氧化碳濃度增加兩倍,重新跑一次模擬,根據模式結果,他們預估當大氣二氧化碳濃度增加兩倍時,地表溫度上升約2 oC。驚人的是,這個預估結果至今依然適用。目前科學界普遍共識是當二氧化碳濃度增加兩倍時,地表溫度約上升1.5-4.5 oC。這顯示根據物理定律來建造的氣候模式,經得起時間的考驗,如同所有的物理定律。

現在的電腦比起1960年代已快速許多,氣候模式也從一維變三維,可以研究地球上不同地區的氣候。模式裡頭也增加許多大氣物理過程,如水氣凝結成雲和大氣中的懸浮微粒,而且還考慮了大氣和海洋,陸地的交互作用,所以現今的氣候模式又稱為地球系統模式 (Earth System Models)。

 

 

 

圖二-現代的氣候模式.png

圖二:現今的氣候模式示意圖。模式裡將地球分成許多區塊,用以研究每個地區的氣候,而且考慮了複雜的大氣,海洋,和陸地過程。圖片來源:Wikimedia commons。

 

這麼複雜的氣候模式,當然不是一夕之間少數幾個人就能完成的,而是由無數的科學家,長時間投入心力,一磚一瓦建構出來的。氣候模式的發展過程,如同汽車,飛機,電腦等各項重要發明的發展過程,同樣的引人入勝。

 

遠古到1940年代:從經驗到科學來理解大氣

從幾萬年前開始,人類就在觀測天氣,並且試圖預測天氣和描述氣候。氣象的知識主要從生活經驗來,並且用主觀的語言描述。氣象諺語是一個很好的例子,例如,「龜山戴黑帽,若瞇雨就落」(龜山島上有烏雲籠罩的話,蘭陽平原就要下雨了。這是天氣預報);「三月三月,一日剝皮,三日蓋被」 (農曆三月,台灣的天氣一下熱、一下子冷,天氣還沒有很穩定,所以一下子熱得 穿不住衣服,一下子又冷得要蓋被子。這是描述氣候)。

這些氣象諺語可能很準,但人們不見得了解背後的原因。十七世紀以來,物理數學快速發展,人類開始了解許多自然現象背後的原理,比方說地球和行星軌道定律。但到二十世紀初期,人類對天氣和氣候的知識只從這些科學進展受惠一點點,氣象學基本上還是偏主觀的,依靠經驗的學門,通常也不被認為是所謂的科學。

 

1900年左右,挪威物理學家Vilhelm Bjerknes (1862-1951) 開始從動力學和熱力學的角度研究大尺度的大氣和海洋運動,想將氣象學變成一門真正的科學。他1904年在Meteorologische Zeitschrift雜誌發表的文章,”Das Problem der Wettervorhersage, betrachtet von Standpunkt der Mechanik und Physik” (德文,Google翻譯是 ”從力學和物理學的角度看天氣預報問題”),提出用數學物理定律來建立大氣模式,被認為是現代數值天氣預報的始祖。1917年,Vilhelm Bjerknes教授和他的年輕同事們創立卑爾根氣象學派 (Bergen School of Meteorology),並提出了極鋒理論 (polar front theory) 從動力學和熱力學角度來解釋中緯度氣旋的生成,發展,和消散。這是氣象學從經驗開始走向科學的重要一步。

如果當時有科學家對Bjerknes教授和卑爾根氣象學派提出的觀點和方法感到興奮,1922年英國科學家Lewis Fry Richardson (1881-1953) 無疑澆了他們一大桶冷水。 Richardson嘗試用物理數學方程,配上當時現有的觀測資料,來計算地面氣壓24小時的變化。他花了六週時間,以手算出地面氣壓六小時增加了145百帕,對地球大氣來說是非常不合理的數值 (合理範圍是個位數百帕)。這顯示,用物理和數學方程來解釋複雜的天氣,似乎是一件不可能的事[1]。這樣的觀點至少持續到1940年代,根據美國地球物理流體動力實驗室 (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)的首位主任Joseph Smagorinsky的回憶,他1940年代在麻省理工學院進行二戰軍用氣象觀測員訓練時,理論學家和講師Bernhard Haurwitz就說服他說發展大氣模式沒前途,不要做。Joseph Smagorinsky直到戰後才開始思考發展大氣模式。

雖然Richardson 1922年試圖用物理方程來解釋大氣的嘗試失敗了,但接下來的二三十年,特別是二戰時對天氣資訊的需求,促成了大氣科學的知識持續發展,數值方法持續改進。二戰時更是訓練出許多氣象人員,一部分在戰後選擇投入氣象研究,例如Joseph Smagorinsky和Joanne Simpson等人,以及最重要的電腦發明。這些積累下來的資本,促成1950年代左右,大氣模式重新登場,從而改變整個大氣科學領域以及氣象服務,改變整個世界。

 

1950-60年代:氣候模式登場

1940年代末期,普林斯頓數學家馮紐曼 (John von Neumann),構想把首次作為一般用途的電腦,電子數值積分器和計算機 (Electronic Numerical Integrator and Computer; ENIAC),來進行天氣預報的研究。在詢問一些氣象學家如氣象大師Carl-Gustaf Arvid Rossby的意見後,馮紐曼在普林斯頓高等研究院 (Institute for Advanced Study) 開啟了氣象學計畫 (Meteorology Project),並召集了許多偉大氣象學家如Jule Charney和Ragnar Fjørtoft參與這計畫 。1950年,這個團隊成功用一個單層正壓(barotropic)模式,以ENIAC產出了一個24小時的北美區域天氣預報。

雖然這個模式做了很多簡化,比方說沒有水氣,所以完全沒有降雨,但是模式結果清楚顯示了跟現實很類似的環流特徵。這代表,即使大氣超級複雜,但透過數學物理方程式,配上電腦和數值方法,某種程度上可以重現大氣的特徵。當模式能重現特徵,科學家就可以用模式來研究大氣,氣象單位可以用模式來做天氣預報,還有許多潛力無窮的應用。

馮紐曼領導的氣象學計畫的成功,不僅開啟了一條以電腦模式來研究大氣的的全新研究道路,也把千年以來偏主觀,依靠經驗的傳統氣象學,正式轉變成偏客觀的,根據數學物理的大氣科學。

因為模式在短期天氣預報的初步成果,馮紐曼提出了一個很大膽的想法:能不能用模式來研究地球長期的氣候特徵?他的理由是如果把用於短期天氣預報的模式拿來做無限期的預報,某種程度上就是在看大氣長期的特徵,也就是氣候了。他1955年寫了一份四頁的文件,標題是大氣環流的動力過程 (Dynamics of the General Circulation),提出用模式研究大氣環流的初步構想。現在來看,馮紐曼的這份文件可以視為氣候模式的預言書,他也提到了幾個氣候模式會面對的難題,比方說如何在模式裡頭處理水氣和雲過程,這些難題至今仍是氣候模式面對的挑戰,顯示馮紐曼的遠見。

馮紐曼寫的這份文件很快受到美國氣象單位的重視,同年美國氣象局成立大氣環流研究部門 (General Circulation Research Section,目前美國地球物理流體動力實驗室的前身),首位主任是Joseph Smagorinsky。1958年,Smagorinsky邀請即將在東京大學完成博士學位的真鍋,來到美國發展氣候模式。

真鍋抵達美國後,馬上開始投入氣候模式發展工作,包括發展一維輻射-對流平衡氣候模式 (1D radiative-convective equilibrium model),處理次網格積雲過程的濕對流調整方案(moist-convective adjustment scheme),以及處理地表水循環的水桶模式 (bucket model)。這些工作奠定了許多氣候模式的基石,也開啟了現代的氣候模式發展 。

想多了解一點真鍋的研究貢獻,可以參考台大大氣系黃彥婷教授在本諾貝爾奬系列報導的文章。

 

過去到未來:持續進擊的氣候模式

自1960年代以來,氣候模式持續發展和改良。現在,氣候模式已經是研究地球氣候和氣候變遷的重要工具。氣候模式也帶動大氣觀測和理論的發展,彼此相輔相成,讓人類更加了解複雜的氣候系統。此外,氣候模式也作為評估未來氣候變遷的重要工具,影響政府的決策。

從觀測來說, 1960年代世界天氣守視計畫(World Weather Watch; WWW),1960-70年代的全球大氣研究計畫(Global Atmospheric Research Program; GARP),還有許多後續的衛星計畫,野外觀測計畫,這些計畫的目標之一都是驗證模式結果,以及改進模式對物理過程的處理。另一方面,模式也可以幫忙找出觀測資料的問題,或是發現哪些地區需要更詳盡的觀測資料,帶動後續的觀測計畫。

從理論來說,氣候模式是根據現有物理知識來建立,但也可以創造提出新理論的機會。例如,真鍋和同事在1965年提出處理積雲過程的濕對流調整方案,這方案假設只要當大尺度的大氣在垂直上變不穩定的時候,就會有很多積雲生成,將大氣從不穩定狀態拉回穩定狀態。這個方案是基於物理直覺,模擬結果也相當符合觀測到的大氣特徵,但缺乏詳細的物理機制解釋。要等到約十年後的1974年,氣象學家Akio Arakawa和Wayne Schubert才提出理論去解釋濕對流調整方案背後的物理機制。

氣候模式除了研究用途以外,也是政府決策的重要參考。自1990年以來,政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC)每5-7年會提出一份評估報告 (Assessment Reports),推估未來可能的氣候變遷,例如未來降雨量的變化和西太平洋颱風數量的變化,提供政府和民間在決策上的參考。報告內容許多都是根據氣候模式的模擬結果,顯示氣候模式對人類社會經濟的重要性。

氣候模式已經發展了七十多年,還是有很多部分可以改進。比方說雲的處理還是氣候模式裡主要的挑戰和不確定性之一,因為雲橫跨了很大的時間和空間尺度,一朵雲由許多微米尺度 (10-6公尺) 的雲滴組成,雲的範圍可以延展到數千公里 (106公尺)。因此模式裡要處理橫跨1012公尺的物理過程,例如雲滴之間的碰撞,雲內的紊流,雲隨著氣流如何移動等,是非常有挑戰的問題。許多有趣的想法和研究也在進行中,像是有些科學家使用機器學習來發展氣候模式處理雲的方法。

氣候模式的發展和應用,持續進擊中。





[1] Richardson在1922年的失敗嘗試,主要問題不是出在方程式和解法,而是如果用他的方程式,必須把初始資料中高頻的重力波雜訊濾掉,做長時間積分才有意義。如果用修正過的初始資料,計算出來的氣壓變化是六小時改變1百帕,就是很合理的數值。