魏科

中国科学院大气物理研究所

研究员、博士生导师

2005 年，国际气象学和大气科学协会在北京召开第九届科学大会，彼时正在读博士研究生的我充满激情，穿梭于国际会议的各个会场，认真听报告，举手提问题。坦白地说，那时候我参加国际会议的次数有限，并不是很了解报告人的级别和名望，觉得有疑问就要提出，是标准的“初生牛犊不怕虎”。

某天的会议期间，国际气象学和大气科学协会举办了记者招待会，由大气界的顶级科学家回答国内外记者关于全球气候变化的问题。我和几位同学也去了会场，组织者误以为我是某个英语还算流畅的记者，便邀请我到第一排就座。彼时，真锅淑郎先生就坐在我对面。我不认识坐在对面的大多数科学家，但看过真锅淑郎的文章，也听导师黄荣辉院士介绍过他。这么多年过去了，我还记得当年的问题确实比较难答：请问，既然全球变暖了，那为什么南极的海冰还在增加？这是不是反对气候变暖意见者可以用的证据？

对面的几位科学家听后面面相觑，感觉到提问者来者不善。真锅淑郎先生回答了问题，讲了很长一段话，他说的英语里还带着些许日语口音。我那时沉浸在问了个 “尖锐”问题的喜悦里，没有完全听懂他的回答，但是结论我知道了，他认为南极海冰增加与全球变暖并不矛盾，相反，这是全球变暖的结果。

很多年后，当我认真研读并翻译真锅淑郎这本《气候变暖与人类未来》时，我才真正理解，对于当年那个问题，真锅淑郎先生给出了最权威的回答。在那次会议之后，真锅淑郎顺便来访大气物理研究所，并参加了叶笃正先生的 90 寿辰。真锅淑郎风趣幽默，对中国非常友好。20 世纪 80 年代，中美开启学术交流的时候，叶笃正院士、曾庆存院士、吴国雄院士、巢纪平院士等都先后访问过普林斯顿大学和地球物理流体动力学实验室。据吴国雄院士介绍，真锅淑郎非常敬佩叶笃正先生。叶笃正先生于 20 世纪 40 年代在美国芝加哥大学获得博士学位，是芝加哥学派领袖罗斯贝最优秀的学生之一，是国际公认的大气动力学家。真锅淑郎访问中国的时候，总要到叶笃正先生家里拜访。

我曾经和另外一位数值模式大师林先建先生讨论过真锅淑郎。林先建先生被《科学》杂志称为 “气象大师”（Weather Master），目前全球几乎一半的气候模式和天气预报模式都在使用他提出的动力框架。他是真锅淑郎先生在地球物理流体动力学实验室的学生兼同事，作为武侠小说发烧友，他认为退休后的真锅淑郎更像是武侠小说里的“老顽童”或者“一灯大师”，风趣幽默又纯真开朗。这个观点得到了美国普林斯顿大学理论物理学家罗伯特·哈里·索科洛（Robert Harry Socolow）的认可，索科洛也认为他是个老顽童，这说明真锅淑郎确实给大家带来了很多快乐。

老顽童很受大家的欢迎，朋友和同事们亲切地称他为 Sukia。朋友圈流传着一个关于他的有趣轶事，据说他退休后，不喜欢别人寄信过来打扰自己，就做了一个刻有“已逝”（Deceased）的图章，把来信盖章退回。想必给他邮寄广告和传单的公司也是哭笑不得。

20 世纪 60 年代中期以后，真锅淑郎就是地球物理流体动力学实验室数值模式研究方面的领军人物。此后的 30 余年，直到 1998 年退休，他是世界上领导气候模式发展时间最长、最富有进取精神的学界领袖。真锅淑郎经历了数值天气预报模式、大气环流模式和耦合模式的研发，见证了数值模式从天气预报领域发展到气候变化领域，也见证了全球变暖从他论文里的理论变成了现实。地球物理流体动力学实验室的资深科学家托马斯·德尔沃斯（真锅淑郎的学生）把真锅淑郎比作气候研究领域的迈克尔·乔丹。乔丹把美国甚至全球的篮球水平和篮球行业发展提升到了一个更高的境界，并成为篮球界的标志人物，真锅淑郎则把气候变化研究提升到了一个更高的境界。

正因为这种对学科的推动，以及对气候变化的物理问题的深刻阐述，真锅淑郎先生获得了 2021 年度的诺贝尔物理学奖。当年他获奖是因对“复杂物理系统”的研究。大气运动就是这样的复杂物理系统，时空跨度非常大。从时间尺度来讲，大气系统既有仅为几分钟的扰动，也有几天的天气过程，甚至还有数万年以上的气候变化，时间尺度跨越了 7～8 个数量级。从空间尺度来讲，大气系统有半径几十厘米的尘卷、半径数百千米的台风，甚至尺度达到数万千米的行星尺度波动，空间尺度跨越了 6～7 个数量级。

尺度来讲，大气系统有半径几十厘米的尘卷、半径数百千米的台风，甚至尺度达到数万千米的行星尺度波动，空间尺度跨越了 6～7 个数量级。

在这一过程中，真锅淑郎创造性地引入了 “对流调整”方案，使大气的相对湿度基本保持不变，当低层温度过高导致垂直温度递减达到超临界时，将其调整为对流中性状态，并保持总能量不发生变化。这种方案考虑到了对流过程中潜热释放对热量的输送和对中高层大气的加热作用，最终使大气处于辐射— 对流平衡状态。这样简单的模式竟然模拟了大气温度真实的垂直廓线，并且非常准确地预测了温室气体增加导致的全球变暖（这是 20 世纪 60 年代中期的预测）。如今半个世纪过去了，全球气候变暖的现实证明了他当年的理论。

可以说让真锅淑郎获得诺贝尔物理学奖的全球变暖研究只是其研究的副产品，他醉心于发展数值模式，从单柱模式到三维模式，从年平均模式到季节循环模式，从大气模式到海 — 气耦合模式，再进一步到海— 陆— 气耦合模式。利用这些模式，他的目光穿透亿万年的迷雾，清晰地看到了地球历史上气候变化发生的原因和过程。

真锅淑郎是幸福的，他醉心于自己的研究，并在研究之余穿过普林斯顿的校园去游泳。吴国雄院士说他很会享受生活，专注于科学探索，乐观而纯粹。 2021 年 10 月 6 日，在普林斯顿大学为真锅淑郎召开的诺贝尔奖新闻发布会上，真锅淑郎向世界揭晓了他幸福的根源。他充满深情地感谢自己的“老板”斯马戈林斯基。在 20 世纪 60 年代初，斯马戈林斯基摒弃战后国际合作的仇外心理，给予真锅淑郎百分之百的支持。斯马戈林斯基还给真锅淑郎招募了很多编程人员，使他能够全身心投入科学方面的思考，专注于诸多物理过程的模式表达，而不需过多参与模式代码的编写。

还有一点最重要，斯马戈林斯基是一位传奇人物，是最早参与 1950 年在世界第一台计算机（ENIAC）上进行第一次成功的数值天气预报实验的学者之一。他具有强大的游说能力，能出面游说美国气象局 a 和国会，为数值模式研制争取到充足的经费和超级计算机支持。在新闻发布会上，真锅淑郎忍不住感慨：“我可以在研究中做任何事。我的老板很慷慨，让我做任何我

喜欢做的事情。他争取到了所有超级计算机经费，我从来没写过任何一个项目申请 ……”

作为科学家，一辈子没写过项目申请，这无论是在中国，还是在美国，都是一个传奇。 “老顽童”周伯通需要全真教创始人“中神通”王重阳的支持，才可以过纯真的生活；而篮球界的“飞人”乔丹也需要 NBA 史上最伟大的教练、绰号“禅师”的菲尔·杰克逊的打磨，才可以独步天下，成为“篮球之神”。所以不得不感慨，成功需要天赋，更需要具有让天赋能够充分生长的土壤。当科研人员一遍遍用尽心力打磨一个个项目申请书，填一个个表格的时候，我耳边总是回荡起韩愈那句话：“故虽有名马，只辱于奴隶人之手，骈死于槽枥之间，不以千里称也。”时常会听到别人问，我们什么时候才会有诺贝尔奖获得者？我们的学校为什么总是培养不出最杰出人才？这

时候我们可能更需要问：我们的斯马戈林斯基在哪里？我们的菲尔 ·杰克逊又在哪里？

《气候变暖与人类未来》在美国是一本研究生的教材，为了本书的翻译，我还邀请了业内几位优秀的年轻科研人员参与，包括赵寅博士、杨显轲博士，博士生李雅迪、陈可鑫和于小淇。他们在气候变化、海气耦合、数值模拟、全球碳排放、东亚季风等领域都有所建树。为了避免专业人士将句子和段落翻译得过于学术化，我还邀请了郭晨昦先生进行审校和统稿。他曾经是青岛国际院士论坛的翻译团队成员，并参与了 APEC 青岛会议的翻译工作。通过合作，我感受到了青春的气息，也感受到其实人才无处不在，我们需要更多“伯乐”和战略科学家。

真锅淑郎为我们揭示了气候变化的奥秘，预测了气候变化的趋势，但是正如他所说的 “制定气候政策往往比做出气候预测困难 1 000 倍”，解决气候变化问题比了解气候变化难 1 000 倍。一个国家的科技进步和每个人的个人成长可能也是这样吧，遵循科技进步和个人成长的规律来做事情，听起来简单，做起来难上加难。

[内容简介]

为什么地球表面变暖的程度在不同的半球有所不同？

为什么尽管全球降雨总量增加，干旱地区的干旱却变得更加频繁？

为什么大气二氧化碳含量的增加会导致对流层温度上升而平流层温度下降？

真锅淑郎和布罗科利讲述了科学界是如何理解气候变化的人为原因的，以及气候模式如何对这些重要发现起到了重要作用。两位作者详细展示了大气科学家如何使用气候模型开展虚拟实验，研究大气、海洋和陆地之间复杂的相互作用。他们将这些研究作为基础，更广泛地讨论了人类导致的全球变暖，以及全球变暖的未来可能发展方向。

目录

前 言 如何预测未来的气候变化及其影响

第 1 章 温室效应是如何发挥作用的

第 2 章 早期研究与二氧化碳翻倍实验

第 3 章 构建三维大气环流模式的第一步：一维垂直柱大气模式

第 4 章 大气环流模式的演变：从 UCLA 模式到 GFDL 模式

第 5 章 基于大气环流模式的早期数值实验

第 6 章 确定气候敏感度：气候科学最具挑战性的任务之一

第 7 章 冰期—间冰期差异：最有希望的一条研究路径是跨领域合作

第 8 章 海洋在气候变化中的作用：热惯性、海气耦合模式