吕建华
风暴之眼:气候变化的物理学和地理学
2019-3-10 22:22
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风暴之眼:气候变化的物理学和地理学

 

2005年飓风Katrina重创美国。恰恰在飓风发生之前四周,著名热带大气学家Kerry Emanuel在Nature发表文章,警告飓风和热带风暴会随着海温的升高而变得更具破坏性。一年之后的飓风季节开始之前,Nature对Kerry Emanuel作了专访。在专访的最后一段,Kerry Emanuel就气候科学说了这样一段话:

 气候科学是一门有关物理、化学、数学,现在某种程度上还和生物学有关的非常有难度的学科。它需要在这些领域非常有天赋的人们来研究。它本身是一门硬科学,但被很多人错以为是软科学。我们经常收到很多怀有良好意愿的申请,但很少具有足够的[数理化生]背景攻克难题。我们希望看到的人不来申请是因为他们对我们领域的智力内涵一无所知。领域内几乎所有的人都同意这是一个问题,但还没有解决的办法。

Climate science is a very hard physical, chemical, mathematical, and now, to some extent, biological problem, and it requires people who are very talented in these areas. It’s a hard science but it’s perceived as being soft. We get a lot of applications from people with good intentions, but without anything like the background necessary to attack the problems. The people we’d like to see don’t apply because they have no idea of the intellectual content of our field. Pretty much everyone [in our field] agrees that this is a problem, but we don’t have any solutions yet. ]  (http://blogs.nature.com/boston/2006/07/11/in-the-eye-of-the-storm )

上述认为气候科学是软科学的误解很大程度上是因为传统意义上的气候学是描述性的地理学的一个分支,因而有人会以为气候学无非是对观测到的数据-无论是来自现代的仪器观测还是来自冰芯、黄土、物候、历史文献等等-的统计描述而已。

但事实上主要地随着大气科学和物理海洋学从上世纪中叶发展为定量的数理科学 (也就是赵九章先生倡导的“数理化”、“高技术化”),对气候的认识自然地也脱离了地理学传统或博物学传统的描述性学科轨道,而转向基于普遍的物理学原则(其中主要的是流体力学、理论力学、热力学和统计物理、光学和大气辐射等等)和定量数学分析方法(数理方法、正则和奇异摄动方法、张量分析、数值分析,甚至微分几何方法等等)。从此气候科学已经成为一门物理学科,也就是不仅仅满足于描述性的知其然,更要从物理上知其所以然。在1950年代第一次数值天气预报以后和大气环流模拟实验成功前后,冯诺依曼和查尼等人就组织了专门的气候动力学研讨会,出版了“Dynamics of Climate”一书。而现代混沌理论之父洛仑兹的同门师兄弟JP Peixoto 和AH Oort (他们同是Rossby学生Victor Starr的学生)在1992年以“Physics of Climate”为书名,从物理学角度对地球气候做了全面描述和解释。在中国,叶笃正先生于1980-90年代组织大气所的研究人员主编了“动力气候学”一书。也正因为如此,当今最著名的气候学家(尤其是从事理论和模拟研究的)往往是从理论物理和应用数学背景训练出发的,尤其是在剑桥、MIT、纽约大学的柯朗数学研究所、普林斯顿大学等气候研究的重镇。而在国内,南大和北大对大气科学学生的训练也是按照对物理学学生的训练来进行的。

这样说,并不是要把气候学的物理学方法和地理学方法对立起来。比如竺可桢先生一生是用传统地理学方法研究气候的,一方面他取得了很高成就,但他也对用物理学方法研究气候非常关注,在他的日记里可以找到约叶笃正先生等讨论从动力学角度研究气候变化的记载。而叶笃正先生是从物理和动力学角度研究气候的,他又很关注从地理学角度出发对气候现象的描述,并和地理所的张丕远先生等在学术上保持密切的联系。而当涉及到对气候变化科学的应用时,更离不开传统地理学和国计民生密切联系的优良传统。

但对于我们这样一个过于强调应用而忽视无用之用的基本理论的民族来讲,适当强调一下气候科学和气候变化的物理学是必要的。历次IPCC第一工作组的报告都以“物理基础”为名,我的国内同行们都会同意,来自中国科学家对气候变化的物理基础的科学贡献和我们国家的地位还很不相称。改变这样的现状,就像Kerry Emanuel说的那样,需要有更多的在数理化生学科方面有良好禀赋的学生从事这门充满魅力和智力挑战的学科,也需要学校对学生加强而不是弱化数理方面的训练。


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