摘要
2021年諾貝爾物理學獎頒發給德國學者克勞斯·哈塞爾曼(Klaus Hasselmann)與另外兩位科學家。克勞斯·哈塞爾曼是著名的海洋學家、氣象和氣候學家、物理學家。文章將簡述哈塞爾曼的研究經歷，介紹他在大氣響應中的信噪比和氣候變化歸因的多模態指紋方法等方面的重要學術成就。還將結合最新的政府間氣候變化專門委員會第六次評估報告中有關氣候變化歸因的主要結論，闡述在哈塞爾曼的開創性工作基礎上建立起來的氣候變化歸因理論與方法，構成了人類合作應對氣候變化的重要科學基礎之一。
關鍵詞 諾貝爾物理學獎 克勞斯·哈塞爾曼 氣候變化歸因 最優指紋法
羅 勇（清華大學地球系統科學系 地球系統數值模擬教育部重點實驗室 全球變化研究院）
| 作者
《物理》2022年第1期
| 來源
1.克勞斯·哈塞爾曼的學術生涯
克勞斯·哈塞爾曼（全名Klaus Ferdinand Hasselmann，圖1）於1931年10月25日生於德國漢堡。1934年在他大約3歲時，舉家移民英國。1949年高中畢業後，哈塞爾曼和家人一起返回德國。
圖1 克勞斯·哈塞爾曼展示諾貝爾獎證書（拍攝者：BernhardLudewig，來自：https：//www。nobelprize。org/prizes/physics/2021/hasselmann/photo-gallery/）
1955年哈塞爾曼獲漢堡大學物理學和數學畢業證書；1957年獲哥廷根大學博士學位，師從W。 Tollmien教授研究各向同性湍流的基本動力學方程。1957—1961年，哈塞爾曼在漢堡大學給本科時期的指導教師K。 Wieghardt教授擔任研究助理，繼續研究湍流理論。在這期間，他發表了他的第一篇學術論文［2］，揭示各向同性湍流的三倍速度相關性。
1961—1964年，哈塞爾曼應著名海洋科學家沃爾特·蒙克的邀請在美國斯克利普斯海洋研究所（加州大學聖地亞哥分校的前身）下屬的地球物理和行星物理研究所（IGPP）擔任助理教授和副教授，從事大型海洋波浪實驗。哈塞爾曼和蒙克一直保持著合作關係和友誼，而且在2008年蒙克90歲生日之際，他和Hansvon Storch合寫了蒙克的傳記［3］。
1964年11月哈塞爾曼回到德國，在漢堡大學擔任講師，兩年之後晉升為教授。1969年德國聯邦科學技術部在漢堡大學建立了理論地球物理系，聘請哈塞爾曼為該系的主任。1970—1972年，他在美國伍茲霍爾海洋研究所作教授。1972年再次回國，擔任漢堡大學理論地球物理研究所教授、主任。1975年他建立了馬克斯·普朗克氣象研究所並一直擔任所長，在1988年之後兼任德國氣候計算中心科學主任。1999年11月哈塞爾曼在他68歲時退休。
在獲頒2021年諾貝爾物理學獎之前，哈塞爾曼獲得過很多學術榮譽，主要包括美國地球物理學會頒發的James B。 Macelwane Award（1964年）、美國氣象學會頒發的Sverdrup Gold Medal（1971年）、遙感學會頒發的Belfotop-Eurosense Award（1981年）、美國國家科學院頒發的Robertson Memorial Lecture Award（1990年）、英國皇家氣象學會頒發的Symons Memorial Medal（1997年）以及歐洲地球物理學會頒發的Vilhelm Bjerknes Medal（2002年）等。
2. 克勞斯·哈塞爾曼的學術貢獻
哈塞爾曼的研究興趣十分廣泛，涵蓋氣候動力學、隨機過程、海浪、衛星遙感、綜合評估研究以及氣候變化政治學等。他一共發表127篇同行評議論文，還出版了7部論著。2021年他合著的論文基於共享的社會經濟路徑（SSPs）和典型濃度路徑（RCPs）分析了歐洲、美國和中國的氣候政策實施情景［4］。有意思的是，自從20世紀60年代中期寫了關於地球物理波場中波—波相互作用的費曼圖論文以來，哈塞爾曼一直在研究粒子物理學。在退休之後，他更是潛心於量子場論、基本粒子物理學、廣義相對論和統一場研究。
哈塞爾曼在物理海洋學方面的成就主要體現在海浪非線性相互作用研究上。特別是，他曾在1968—1969年間成功組織協調英國、荷蘭、美國和德國等國學者開展“聯合北海海浪計劃”（JONSWAP），在北海160 km斷面上佈置了13個觀測點，採用多種儀器觀測海浪。這些研究為研製波浪模型（WAM）奠定了基礎。迄今仍被廣泛應用在海洋科學、海洋工程領域的海浪譜JONSWAP就是基於這次觀測實驗獲取的。JONSWAP的成功以及他在組織此次聯合實驗計劃時所展示出來的管理協調能力，對他後來被任命為馬克斯·普朗克氣象研究所所長有幫助。
瑞典皇家科學院決定將2021年諾貝爾物理學獎頒給哈塞爾曼，是為了表彰他在氣候領域的兩項學術貢獻：氣候變化的指紋辨識和隨機氣候模式的建立。哈塞爾曼發表的6篇論文與獲獎內容相關［5—10］。他在1979年首次揭示了大氣響應中的信噪比問題［5］，這可以說是證明人類活動對全球變暖作用的關鍵基礎。藉助資訊領域的“訊號”處理技術，他將長時間尺度的“慢變”氣候變率與短時間尺度的混沌隨機的天氣過程聯絡起來，解釋了氣候系統低頻內部變率的成因。但這篇原始論文非常晦澀難懂，所以他在20世紀90年代初重寫了一篇論文［7］。哈塞爾曼還提出包括溫室氣體在內的外部影響因子會在氣候系統中留下特定的“指紋”，透過發展多模態“指紋”的歸因方法，建立了20世紀中葉以來的全球變暖主要是由大氣中二氧化碳濃度水平增加所引起的科學依據，從而構建了全球合作應對氣候變化的重要科學基礎，推動國際社會和公眾將氣候變化視為人類面臨的重大挑戰之一。
此外，哈塞爾曼在開發氣候模型方面也做出了開創性工作。1976年，他基於湍流研究得到的啟示開發了一個隨機氣候模型（哈塞爾曼模型），借鑑布朗運動的隨機波動性來表徵大氣的短期波動“噪音”，從而能夠非常簡單地解釋氣候系統自然內部變率的起源［6］。引入隨機強迫的概念使得分離氣候系統中噪音的起源和結構時間尺度變得較為容易。後來，他和合作者們在簡單模型的基礎上構建了更現實的複雜模型，即耦合的海洋—大氣環流模型。
3. 氣候變化歸因
在哈塞爾曼開創性工作基礎上建立起來的氣候變化歸因理論與方法，構成了人類合作應對氣候變化的重要科學基礎之一。
我們現已知道，實際觀測到的氣候系統變化是由三種變化疊加而成的，即由大氣、海洋和陸地之間相互作用而產生的氣候系統內部變率，由自然強迫引起的自然變化以及由人類活動引起的人為變化。自然外強迫因素主要包括太陽輻照度變化和火山噴發導致的平流層硫化氣溶膠增加；而人類活動外強迫則主要是人類活動引起的溫室氣體、氣溶膠和臭氧濃度變化以及土地利用變化等。
所謂歸因指的是，評估多個因果因素對變化或事件的相對貢獻及其信度水平的過程［12］。具體到氣候變化領域，人們迫切地想了解引起工業革命以來氣候系統狀態顯著變化的原因是什麼——在多大程度上是由人類活動引起的？在多大程度上是由自然強迫引起的？這種原因判斷的可信度有多大？這個科學求知的過程就是氣候變化歸因。顯然，只有在科學上令人信服地確認人類活動是引起氣候變化的主因時，國際社會和各國政府、社會公眾才有理由採取深度減少溫室氣體排放、實現碳中和與綠色低碳轉型的減緩措施來應對氣候變化。
氣候變化歸因，主要採用數理統計和氣候模式相結合的方法，大體分為時間序列法、推理法和最優指紋法。時間序列法是將計量經濟學中的因果關係檢驗法應用到氣候變化歸因中，這種方法既考察變數間的相互關係，又考慮其自身的變化。推理法是把演繹與對標量因子假設的估計相結合，包括最高頻率法和貝葉斯法等。目前，科學界使用最廣泛的歸因方法就是在哈塞爾曼工作基礎上建立起來的最優指紋法（fingerprint）。它是一種透過最大化信噪比，增強氣候變化訊號特徵使之排除內部變率噪聲干擾的技術方法。
最優指紋法可以用廣義多元迴歸來實現，即把觀測的氣候變化y看作是外部強迫引起的氣候變化訊號X的線性疊加，再加上氣候系統內部變率u，即y＝Xa＋u。
其中，y是經過濾波處理後的觀測資料，使其能夠充分反映觀測到的氣候時空變化；矩陣X包括對外部強迫的響應訊號，a為對應這些訊號的響應係數。若a顯著大於0，表示可檢測到該外強迫因子對觀測結果的影響。矩陣X的訊號可以利用複雜的地球系統模式，或簡化氣候模式如能量平衡模式（EBM）獲取。利用地球系統模式模擬外部強迫驅動下的氣候變化時，既包含氣候系統對外部強迫的響應也包含了氣候系統內部變率。要估計該外部強迫下的氣候響應訊號X，需要對多成員模擬做集合平均來消除內部變率的影響。
圖2 模擬和觀測的大陸、洋盆及更大尺度上氣候系統各圈層的關鍵氣候指標變化。這種識別氣候變化“指紋”的方法就是基於哈塞爾曼的工作發展起來的［11］
圖2是對工業革命以來大陸、洋盆及全球尺度上氣候系統各圈層的關鍵氣候指標變化進行歸因分析時開展的多個地球系統模式長時間數值模擬結果與相應觀測的對比。如果僅考慮自然強迫因素，模式模擬的氣溫和海洋熱含量（綠色曲線）與觀測值（黑色曲線）的差距很大，特別是無法再現20世紀70年代以後的顯著變暖；這說明，太陽活動和火山活動不是近50年氣候變暖的主要原因。只有同時考慮人類活動因素，模式的模擬結果（紅色曲線）才與觀測一致。這裡，氣候在空間和/或時間上對特定強迫的響應模態就是哈塞爾曼所提出的“指紋”。換句話說，近50年來的氣候變暖就是人類活動在觀測到的全球地表溫度變化上留下的“指紋”。除了地表氣溫和海洋熱含量，我們在降水、海冰範圍、季風、海平面、山地冰川、凍土等越來越多的變化中都能發現人類活動的“指紋”，可以證實人類活動所發揮的影響作用遠超自然因素。
正是因為氣候變化歸因認知在應對氣候變化中的重要性，聯合國氣候變化評估組織——政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在它的歷次評估報告中均把歸因結論作為最重要的科學發現。IPCC第一次評估報告確信，人類活動產生的各種排放正在使大氣中的溫室氣體濃度顯著增加，這將增強溫室效應使地表升溫。第二次評估報告指出，當前出現的全球變暖“不太可能全部是自然界造成的”，人類活動已經對全球氣候系統造成了“可以辨別”的影響。第三次評估報告強調，近50年觀測到的大部分增暖可能歸因於人類活動造成的溫室氣體濃度上升（66%以上可能性）。第四次評估報告明確指出，全球變暖是不爭的事實，近半個世紀以來的氣候變化“很可能”是人類活動所致（90%以上可能性）。第五次評估報告進一步揭示，觀測到的1951—2010年全球地表平均溫度的上升，有一半以上是由人為溫室氣體濃度增加和其他人類強迫共同導致的，這一結論是非常可能的（具有95%以上的可能性）。
圖3 相對於1850—1900 年，2010—2019年觀測到的變暖的貢獻歸因 （a）觀測到的全球變暖（全球地表平均溫度上升）及其非常可能的變化範圍（黑色細線）；（b）溫度變化歸因於總的人類影響，均勻混合的溫室氣體濃度的變化，由氣溶膠、臭氧和土地利用變化（地表反射率）引起的其他人類驅動因素，太陽和火山驅動因素以及內部氣候變率。黑色細線表示可能的變化範圍；（c）各種人類影響引起的溫度變化，包括溫室氣體、氣溶膠及其前體的排放，土地利用變化（土地利用反射率和灌溉）和航空軌跡。黑色細線顯示了非常可能的變化範圍［12］
2021年8月釋出的IPCC第六次評估報告指出，人類活動導致氣候變暖的結論是毋庸置疑的（unequivocal）［12］。圖3顯示的是這次評估報告給出的最新歸因結論：相對於1850—1900年，各種均勻混合的溫室氣體大體會使2010—2019年增溫1。5℃，而氣溶膠氣體大致會降溫0。4℃，太陽活動以及火山活動整體作用不明顯。溫室氣體主要包括二氧化碳、甲烷以及氮氧化物，其中二氧化碳會增溫0。8℃，甲烷會增溫0。5℃，其他氣體增溫有限；氣溶膠整體會消減溫室氣體的增溫作用，其中硫化物氣溶膠有0。5℃的降溫作用，幾乎抵消了甲烷的增溫作用。黑碳具有微弱的增溫作用。
綜上所述，雖然IPCC歷次評估報告對於人類活動在現代氣候變化中作用的認識不斷深化，但所用方法仍然基於哈塞爾曼建立的指紋方法。
4. 結論
科學研究不斷深化對氣候變化及其與人類活動相互作用的認識，為應對氣候變化提供科學基礎和決策依據。正是由於哈塞爾曼和一批傑出學者的先驅性研究工作，國際科學界形成了廣泛共識：當前全球氣候正經歷著一場以變暖為主要特徵的顯著變化，深刻影響著人類的生存與發展，構成當今國際社會共同面臨的重大挑戰。透過合作和對話共同適應與減緩氣候變化已上升為世界各國的政治共識，妥善應對氣候變化涉及全球經濟社會發展的深刻變革，是實現聯合國可持續發展目標的重大任務，事關全人類的長遠利益。我國已經提出2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標，並將其納入生態文明建設的整體佈局，正在同國際社會一道書寫構建人類命運共同體的新篇章。
從科學上來說，儘管目前科學界關於人類活動對氣候變化的影響已經有了較為清晰的認識，但在有些領域仍然存在不確定性。例如：目前將觀測到的變暖歸因於人為氣溶膠強迫的信度需要提高。相對於全球平均溫度變化，對其他溫度指標以及降水、大氣環流、洋流等方面的歸因能力仍然不足，難以給出有關人類貢獻的確鑿結論。只有在哈塞爾曼等傑出學者奠定的科學基礎上，繼續加大氣候變化科學研究的廣度和深度，不斷改進和提高氣候變化歸因認知水平，才能減少氣候變化及其影響的科學不確定性，從而從根本上夯實應對氣候變化的科學基礎。
參考文獻
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［11］ 胡婷，孫穎。 氣候變化研究進展，2021，17（6）：644
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