可靠預測全球暖化
陳正達∕國立臺灣師範大學地球科學系教授，美國普林斯頓大學大氣與海洋科學博士，德國馬克斯‧普朗克氣象研究所博士後研究。
諾貝爾物理學獎在 2021 年首度頒給了兩位氣候科學家：長期在美國大氣海洋總署（National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）地球物理流體力學實驗室（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, GFDL），與普林斯頓大學大氣與海洋科學研究所工作的真鍋淑郎（Syukuro Manabe），以及德國馬克斯‧普朗克氣象研究所（Max Planck Institute for Meteorology）的創所所長哈斯曼（Klaus Hasselmann），表彰他們在建立地球氣候的物理模式，並能以其量化氣候系統變動，且可靠地預測全球暖化方面所做的貢獻。
早期的氣候變遷研究
關於氣候變遷相關的科學發展，最早可回溯到 19 世紀初期的法國數學家傅立葉（Jean-Baptiste Joseph Fourier）提出地球大氣可能使地球溫度增暖的推論。到了 19 世紀中期，愛爾蘭物理學家丁達爾（John Tyndall）運用紅外線感測儀器，指出能吸收紅外線波段輻射的，並不是大氣中的主要成分氮氣、氧氣，而是水氣、二氧化碳、甲烷等含量較少的氣體。
根據這些理論基礎，到了 19 世紀末期，興趣廣泛的瑞典化學家，同時也是 1903 年諾貝爾化學獎得主的阿瑞尼士（Svante August Arrhenius），開啟了科學家對於大氣中二氧化碳含量變動對地球氣候可能影響的量化估計。他只用簡單的方程式與氣候模型，以紙筆計算大氣與地表的能量收支平衡，受二氧化碳含量增減的變化，得出地球各地隨緯度、季節的溫度改變，而且他當時亦考慮了水氣與冰雪，在溫度變化下可能產生的反饋效應。
雖然當時阿瑞尼士高估了二氧化碳吸收紅外線輻射的能力，也無法考慮大氣環流的變化，導致他算出的全球溫度，比現在聯合國跨政府氣候變遷專門委員會（IPCC）評估報告中的推估值更高。不過，他寫這篇論文的本意並非探討工業革命使用化石燃料的可能影響註一，而是希望用二氧化碳含量變動解釋冰河期與間冰期的轉變。事實上，一直要等到數十年後，英國發明家卡倫達（Guy Stewart Callendar）所發表的論文，才開始強調工業革命後使用化石燃料對大氣中二氧化碳含量的可能影響，但是當時的估計還是使用非常簡單的理論模式計算，也沒料想到後來二氧化碳含量增加的速度那麼快。
氣象預報的開端
另一方面氣象學發展，從北歐卑爾根學派的（Bergen school）註二的挪威氣候科學家皮耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）以理論的方法，根據流體力學與熱力學的基本定律與數學方程式，描述並分析研究大氣運動的特性與變化。雖然早期受到觀測資料與計算能力的限制，但是卑爾根學派還是可以透過天氣圖的製作與分析，理想化氣旋發展模型，提供天氣系統變動的有用預報資訊。
英國氣候科學家理察森（Lewis Fry Richardson），在 1922 年發表《通過數理過程預測天氣》（Weather Prediction by Numerical Processes）一書中，已經開始想像如何通過數量眾多的計算員與指揮聯絡系統，即時求出描述天氣系統的微分方程在地球上每個網格點上，數值解隨時間的變化，並用其預報未來的天氣。不過這個過於早熟的狂想，一直要等到1950年代，以真空管為主要元件的第一部電腦誕生後，才開始被認真的對待。
當時在普林斯頓高等研究院主持建構這部電腦的馮紐曼（John von Neumann），在快速計算的應用方向選了 4 個領域，其中之一便是由美國氣候科學家查爾尼（Jule Gregory Charney）主持的天氣預報計畫，運用簡化的方程式系統並避免造成運算不穩定的條件，不再重蹈理察森的失敗經驗。而查爾尼所帶領的其中一位團隊成員，就是後來擔任 GFDL 的首位主任斯馬格林斯基（Joseph Smagorinsky），基於普林斯頓高等研究院的成功數值天氣預報嘗試，斯馬格林斯基開始他在美國氣象局的數值天氣預報與模式發展工作，並領導新成立的大氣環流研究部門，完成了以原始方程式建構的三維全球大氣環流模式。
真鍋淑郎的地球氣候模式
就在 GFDL 實驗室創立的初期，剛從日本東京大學畢業的真鍋淑郎受到斯馬格林斯基邀請，也加入了研究團隊。當時由於麻省理工學院教授菲利浦斯（Norman A. Phillips）已經發表了以數值模式，成功模擬長期大氣環流與氣候特徵的工作，因此 GFDL 的團隊希望除了支持數值天氣預報工作發展之外，也能夠進行長期氣候模擬。
由於原本的三維全球大氣環流模式，著重在乾空氣的動力核心計算架構，必須加入其他許多物理過程，而真鍋淑郎對早期大氣環流模式發展最主要的工作與貢獻，便是以濕對流（moist convection）簡化與處理三維全球大氣環流模式無法解析的對流過程，以及設計出處理陸地模式土壤濕度的水桶模型。
在 1960 年代，當多數的大氣環流模式發展仍著重在當時蓬勃發展的數值天氣預報時，真鍋淑郎是將大氣環流模式研究地球氣候的先行者。他承接從 19 世紀以來，以定量估計二氧化碳含量增加對全球增暖幅度的問題，佐以美國科學家基林（Charles David Keeling）在夏威夷對大氣中二氧化碳含量的監測所確認的上升趨勢，模擬當二氧化碳含量加倍或減半時，地球大氣溫度結構的變化。此模式模擬了二氧化碳加倍時的地表與對流層增暖、平流層變冷，成為氣候變遷溫度變化結構上最重要的特徵（圖一、圖二）。
▲圖一（上圖上）、圖二（上圖下）：二氧化碳濃度增加導致低層大氣溫度升高，而高層大氣則變得更冷。真鍋淑郎發現，若大氣溫度升高是由太陽輻射增加而引起，整個大氣都會變暖；事實證明觀測的溫度變化結構，的確與二氧化碳濃度增加相符。
在此研究基礎上，真鍋淑郎持續強化研究工具，建立更完整的三維全球大氣環流模式。接著更進一步加入海洋環流，取代原本的簡單海洋混合層，建構大氣海洋耦合模式，進行氣候系統模擬與氣候變遷推估，為後來全球氣候模式的發展與研究應用建立了重要的基石。
哈斯曼的最佳指紋辨識法
真鍋淑郎在複雜的地球氣候系統中，找到外部擾動的影響，但是對於大氣這樣混沌複雜的非線性動力系統，其中隨機變數所產生的快速天氣擾動，是否對於長期的氣候系統自然變動也有所影響？哈斯曼在 1970 年代，運用簡單的統計氣候模式發現，當他以混亂隨機、快速變化的天氣擾動驅動模式時，反而使模式的氣候產生出緩慢的自然變動，打破了傳統認定氣候系統的長期變動，必須以特定外來驅動力的概念。其實美國氣候科學家米歇爾（J. Murray Mitchell Jr.）比哈斯曼早 10 年就在一篇會議論文中提出相似的概念，但直到哈斯曼與學生們提出了一系列相關論文，才讓這個議題在大氣科學界受到矚目與重視。
海洋科學家出身的哈斯曼，早期的研究領域是紊流（turbulence）與海洋波動，他對氣候科學的關注，主要是關於氣候系統內部自然變動的機制。以流體為主的地球大氣與海洋，都是屬於複雜的非線性動力系統（nonlinear dynamic systems），系統內部有著不同時間尺度的自然變動，而要在充滿雜訊的內部自然變動中，有效找出受到人為影響的外部驅動力所造成的氣候變遷訊號十分困難。對此，哈斯曼提出了「最佳指紋辨識法」（optimal fingerprint method），運用長期觀測與模擬氣候變動資料的時空結構特徵，探討如何將訊噪比最佳化，進而有利於偵測出特定氣候驅動力所造成的變化。由於氣候科學家往往必須回答關於過去所觀測的氣候變化，究竟是不是人為活動所造成，或只是自然變動，因此哈斯曼所提出的方法，也讓我們可以進一步確認地球氣候變遷與外部驅動力的因果關係（圖三）。
▲圖三。
世界更加重視氣候變遷議題
IPCC 2021 年公布由第一工作小組撰寫的第六次氣候變遷評估報告（AR6），說明氣候科學與氣候變遷研究的最新成果。同時在該年 11 月初召開的第 26 屆聯合國氣候變化大會（2021 United Nations Climate Change Conference, COP26），各國代表在會中討論自 2015 年《巴黎協定》（Paris Agreement）簽署之後，迄今的氣候變化與各國的應對方案、承諾、行動，特別是如何實現減排溫室氣體目標，防止全球升溫超過協議的目標。
今年諾貝爾物理學獎頒給氣候科學家，似乎呼應了目前全球對氣候變遷研究與未來氣候推估議題的重視。不過就如同真鍋淑郎在得獎後受訪表示，了解氣候變遷的科學並不容易，如何讓政策決策者與社會，在面對氣候變遷可能對生活與環境產生重大影響前，採取具體可行的調適措施，訂定能實質降低極端天氣與氣候災害風險的溫室氣體減量作法卻更加困難。即便如此，為了下一代的未來，對抗全球暖化與氣候變遷是我們這一代無法避免的責任。
註一：當時多數地質科學家認為，人類活動對二氧化碳含量的影響有限，可以被自然的沉積地質過程去除。
註二：由挪威氣象學家皮耶克尼斯開啟的卑爾根學派，建立了現代天氣預報的基礎，成功地運用物理定律，加上大量觀測資料收集與天氣圖的分析、診斷，以科學方式進行天氣預報。
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本文轉載、修改自《科學月刊》2021 年 12 月號
