气候变化预测的数值模拟和随机过程---2021年诺贝尔物理学奖

1 引言

2021年10月5日，瑞典皇家科学院宣布，2021年诺贝尔物理学奖一半奖项授予真锅淑郎(Syukuro Manabe)和克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann)，另一半奖项授予乔治·帕里西(Giorgio Parisi)。真锅淑郎1931年出生于日本新宫，1957年获日本东京大学博士学位，现为美国普林斯顿大学教授；克劳斯·哈塞尔曼1931年生于德国汉堡，1957年获德国哥廷根大学博士学位，现为德国马克斯·普朗克气象研究所教授； 乔治·帕里西1948年生于意大利罗马，1970获意大利罗马大学博士学位，现为罗马大学教授。

三位科学家获得诺贝尔物理学奖的理由是他们的研究为理解复杂物理系统做出了开创性贡献。在过去，诺贝尔物理学奖授予的一般是纯理论物理和实验物理，而这次授予的更侧重于应用物理，获奖的三位科学家深入地研究了混沌现象和随机现象，真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼的研究工作为了解地球气候以及如何受人类影响奠定了坚实的基础；而帕里西的研究工作对无序材料和随机过程理论做出了革命性的贡献。

2 气候变化的耦合模拟

真锅淑郎和哈塞尔曼，因对地球气候的物理建模、量化其可变性和可靠地预测全球变暖的开创性贡献而获奖。他们的研究揭示了地球大气中二氧化碳含量的增加如何导致地球表面温度的升高，提出了很多描述和预测长期行为的新方法，从而揭示了这些复杂系统背后隐藏的秘密。

真锅淑郎的研究展示了大气中二氧化碳含量的增加，如何导致地球表面温度升高，而克劳斯·哈塞尔曼的部分研究，则被用于证明大气温度升高是由于人类排放的二氧化碳。

20世纪60年代初，真锅淑郎开始进行地球气候物理模型的研究，开发了大气辐射对流模型，探索了水蒸气、二氧化碳和臭氧等温室气体在维持和改变大气热结构中的作用，为当前气候模型的发展奠定了基础。他通过一维模型的敏感性分析发现，氧和氮对地表温度的影响可忽略不计，而二氧化碳的影响则很明显：当二氧化碳含量增加一倍，全球温度上升超过2摄氏度。20世纪60年代末，真锅淑郎开发了大气-海洋-陆地耦合的二维大气环流模型，随着计算机技术的发展，他在1975年开发出三维气候耦合模型。该模型最终成为模拟全球变暖的一个非常强大的计算工具。

20世纪70年代，在真锅淑郎的研究大约10年后，克劳斯·哈塞尔曼创建了一个将天气和气候相关联的随机气候数值模型，从而回答了为什么气候模型在天气多变且混乱的情况下仍然可靠的问题。他的方法被用来证明大气温度升高是由人类活动排放二氧化碳造成的。此外，他还开发出了新方法，可用来鉴别出自然现象和人类活动在气候变化中留下的“蛛丝马迹”---他发现，太阳辐射、火山颗粒或温室气体浓度的变化会在气候系统中留下独特的信号，这些信号可以鉴别出来，而这种识别“指纹”的方法也可以应用于人类对气候系统的影响。

3 气候变化的随机过程

乔治·帕里西(Giorgio Parisi)的研究发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用。1980年左右，帕里西提出了关于随机现象如何受隐藏规则支配的发现。他的工作现在被认为是对复杂系统理论最重要的贡献之一。他的发现使人们能够理解和描述许多不同的、显然完全随机的材料和现象，不仅对物理学影响深远，也给数学、生物学、神经科学和机器学习等领域的研究带来启示。

4 结束语

科学研究的基本方法 论和步骤是相通的，特别是对自然界如大气，地下水，地质结构的研究。三位科学家提出的理论和方法部分地也应用在岩土工程的研究中，如描述岩土特性的平均值、标准偏差、变异系数，最大值和最小值，力-水-热耦合的三维数值模拟，以及力-空气的耦合模拟(主要应用于崩落采矿法)，描述岩体随机过程的离散断裂网络DFN和分形理论，自然语言处理NLP中的统计模型和随机过程等。