█ 作者:Piers Forster
█ 文章翻译:田晓阳（原载：Nature,Vol545,296-297,2017年5月18日）
█ 背景论文评介：贾朋群
1967年的一篇经典论文报告了能够可信地量化二氧化碳的全球变暖效应的气候模拟关键进展，这为今天支持气候研究的模式们奠定了基础。
五十年前的这个月，气候模拟学者Syukuro Manabe和Richard Wetherald在《大气科学杂志》上发表了很可能是最伟大的一篇气候科学论文[1,链接-1，编者加，下同]。两位作者基本终结了关于二氧化碳是否导致全球变暖的辩论，建立了一个数学上可靠并首次产生物理真实结果的气候模式。他们的工作衍生出现代气候模式的发展，以及用辐射强迫——一种人类或自然变化导致地球能量平衡变化的量值——来理解气候变化的历史原因。
气候科学是门慢热的学科。1861年物理学家约翰·廷达尔（John Tyndall）的工作[2,链接-2]就让二氧化碳是一种温室气体这一事实为人所知。随后化学家Svante Arrhenius在1896年[3,链接-3]和工程师Guy Stewart Callendar在1938年[4,链接-4]对CO2的变暖效应进行了粗略的估计。但直到20世纪50年代，才有测量显示大气中的CO2浓度正在上升[5,链接-5]，同时“辐射传输”的物理学开始被人了解。辐射传输量化了太阳辐射和地球表面发射的红外热光谱如何被大气中的气体散射、吸收和再释放，这是量化温室气体变暖效应的基础。
1963年2月，Manabe的同事Fritz MÖller基于辐射传输科学的最新进展，针对CO2的全球变暖效应到底有多重要进行了研究[6,链接-6]。这项工作加上其他早期研究，正好合理估计了在气候系统没有以某种方式改变的情况下CO2引起的变暖，但是没有正确解释系统将如何响应。特别是，他们没能正确理解在变暖的世界中大气水汽的分布将如何变化。
相比之下，Manabe和Wetherald正确理解了这种水汽反馈的原理，并将其用于自己新的一维辐射对流平衡模式。这个从前期工作开发的模式[7,链接-7]，将大气分为多个层，并用辐射和对流的组合，重新分配了从地表往上垂向各层间的能量。两位作者基于他们的模型来估计CO2浓度从150增加到300ppm，以及300增至600ppm，会发生的变暖。他们从这些结果中估算出，CO2每翻一倍，将会发生约2.3°C的升温——与现代估计相当一致[8,链接-8]。
事实上，Manabe和Wetherald的论文的重心根本就不是二氧化碳和全球变暖。两位研究者在新泽西州普林斯顿的地球物理流体力学实验室工作，该实验室获得了一台第一代商用计算机。Manabe被引进来开发世界第一个环流模式（一个以大气和海洋循环的数值描述为基础的计算气候模式），几年后建立了第一个海洋和大气过程综合的气候模式[9,链接-9]。1967年的这篇论文描述了建立该模式的关键步骤：考虑到辐射传输、对流和水汽反馈，如何最好地将不同层的大气与地表联系起来。
这篇论文在我心目中达到伟大的位置，不是因为它对CO2引起的变暖的估计，而是因为它是气候建模研究的良好实践的例证。首先，基于一套明显且合理的假设，它的结果是可重复的。例如，作者使用最新的水汽观测来证实他们对相对湿度不会受到气候变化的影响的假设，然后用这个假设来模拟水汽反馈。其次，所得到的模式包括足够的物理过程细节，可以给出由几种可能的人类或自然扰动（如太阳能量输出、CO2浓度和云的变化）预期的地表和大气温度变化的一级估计，但不会复杂到难以在早期的电脑上运行，或者干扰对结果的解读。此外，作者们的辐射对流模型完全符合目的。
Manabe和Wetherald的论文的全面性也使很多后续工作蒙羞：论文对于超音速飞机对上层大气温度的影响，与二氧化碳在地球表面的影响同样关注。这也是第一篇发现二氧化碳不仅暖化了地球表面，还冷却了平流层的文章——尽管两位作者只用了17个字描述这一重大发现。
然而，气候科学家花了一段时间才对这篇文章产生热情，而Manabe本人热衷于给他的方法增加更高的复杂性，没有再以这种方式使用他的1D辐射对流模型。相反，Manabe和Wetherald在1975年基于他们初出茅庐的环流模式成功重复计算结果[10,链接-10]，这个模式也可以解释高纬度变暖和雪盖和海冰的变化。
我认为这个更为复杂的计算在一定程度上建立了对他们基于1D辐射对流模型的早期方法的信心，因此其他科学家开始极其有效地使用这类模型来探究观测到的二十世纪地表气温升高的多个可能原因[11,12,链接-11,12]。例如，1981年出版的一项研究[11]得出结论，二十世纪的温度变化可能是人为变化（土地利用和大气温室气体浓度、臭氧和气溶胶）和自然现象（太阳辐射变化和火山爆发）的双重结果。这些工作促成了国际上对气候变化的关切，最终在1988年政府间气候变化专门委员会得以成立。
根据你的偏好，Manabe和Wetherald的遗赠既可以视为气候模型日益复杂（图1）的正当理由，也可以作为简单建模方法的巅峰。今天，辐射对流模型基本上被复杂的地球系统模式，或者甚至更简单的概念如辐射强迫（上世纪70年代从上述辐射对流模拟实验中开发）所取代。这很可惜。辐射对流模式是阐明关键气候过程的一个很好的方法，仍然可以提供其他方法不能提供的有用见解，特别是云在气候中的不确定作用方面。五十年过去了，也许是他们重出江湖的时候了。
图1 气候估计和模式的一些关键发展。在20世纪50年代，辐射传输知识的增进（量化太阳辐射和地球表面发射的红外光谱如何与大气中的气体相互作用）使得估计二氧化碳的变暖效应成为可能，但这些估计都不符合现实。第一个可靠的估计在1967年发表，当时Manabe和Wetherald使用了包括在变暖的世界中水汽分布变化的现实表述的一个计算模式。1975年，同两位作家报道了一个更加复杂的模式，包括海洋和海冰覆盖的影响。气候模式已经变得越来越复杂。一些里程碑包括纳入了以下元素：在1980年加入真实地理（而不是陆块的大体简化表示）；20世纪80年代中期加入云量变化；90年代加入气溶胶；2000年代加入动态植被的影响；2010年代加入大气化学。
作者介绍 :
Piers Forster，利兹大学地球和环境学院，LeedsLS29JT,UK.
邮箱：p.m.forster@leeds.ac.uk
参考文献:
1.Manabe,S.&Wetherald,R.T.J.Atmos.Sci.24,241–259(1967).
2.Tyndall,J.Phil.Mag.22,169–194;273–285(1861).
3.Arrhenius,S.Phil.Mag.41,237–276(1896).
4.Callendar,G.S.Q.J.R.Meteorol.Soc.64,223–240(1938).
5.Keeling,C.D.Tellus12,200–203(1960).
6.M?ller,F.J.Geophys.Res.68,3877–3886(1963).
7.Manabe,S.&Strickler,R.F.J.Atmos.Sci.21,361–385(1964).
8.Forster,P.M.Annu.Rev.EarthPlanet.Sci.44,85–106(2016).
9.Manabe,S.&Bryan,K.J.Atmos.Sci.26,786–789(1969).
10.Manabe,S.&Wetherald,R.T.J.Atmos.Sci.32,3–15(1975).
11.Hansen,J.etal.Science213,957–966(1981).
12.Ramanthan,V.J.Atmos.Sci.38,918–930(1981).
13.Silvers,L.G.,Stevens,B.,Mauritsen,T.&Giorgetta,M.J.Adv.Model.EarthSyst.8,1330–1344(2016).
（上述13篇文献原文，参见本期附录2）
链接-1 参考文献1给定相对湿度分布的大气热平衡 （SCI引用：946次）
这篇论文背后，是美国NOAA的地球物理流体动力学实验室率先开发出全球最早的大气环流气候模式，这一开创性的模式包括了气候因素的所有基本组成成分(大气、海洋、陆地和海冰)。而这一突破，是在1950年数值天气预报获得突破后，气象学者在对海洋和大气环流以及它们之间相互作用的知识，从完全建立在观测和理论推导的基础上，向利用数值模拟方法通过数学建模，从而更加深入和可设计地研究地球气候各种物理和化学过程的转变。正如本文作者所言，考虑到当时计算机的能力，这篇文章描述的气候模式，仅覆盖从北极到赤道和经度由西到东120°，占地球表面1/6的区域范围。然而，气候模式研发的第一步正是建立在这个基础之上。
尽管最初的气候模式还很粗糙，但是这篇文章用上表给出的一个“副产品”：地球大气二氧化碳加倍导致的温度变化，被文章发表后50年地球温室气体和温度增加的科学事实所证实。这样的结果不仅说明了作者研究的严谨性，更很好地说明了基于经典物理和气候学建立的气候模式，在气候预测方面具有的可信性。
链接-2 参考文献2气体和水汽热辐射 （SCI引用：94次）
这是作者，爱尔兰物理学家约翰·廷达尔（John Tyndall，1820~1893年）于1861年9月发表的文章，刊载在世界上最早的科学期刊《哲学杂志》上。这篇文章的题目较长：关于气体和水汽热吸收和热辐射，以及辐射、吸收和传导的物理联系。
本文作者，是著名物理学家、化学家法拉第的学生和朋友。从廷达尔这篇文章的题目中不难看出，他最早注意到了大气组成的变化与大气热传递具有联系，这也是为什么他最早提出了大气组成细微的变化会带来气候变化。
廷达尔在这篇文章里，借助一个简单的仪器（上图左），通过开展实验测定了几种气体辐射传播的情况。作者认为，关于空气对地表辐射影响进而影响气候的主张，涉及很多其他学者（下图），如De Saussure、Fourier、M.Pouillet和Mr.Hopkins等。
链接-3 参考文献3空气中碳酸对地面温度的影响 （SCI引用：538次）
这是作者于1896年4月同样发表在《哲学杂志》上的文章。作者斯凡特·阿伦尼斯（Svante Arrhenius，1859-1927年）是一位瑞典科学家。他是物理化学科学的奠基人之一。他在1903年获得诺贝尔化学奖。
在这篇文章里，作者通过计算和对观测数据的研究，给出了不同维度和季节，大气碳酸变化带来的空气温度变化的量化结果（上图）。这或许是人类最早给出的大气温室气体变化与温度改变的对应关系。
链接-4 参考文献4人为二氧化碳生产及其对温度的影响 （SCI引用：219次）
英国作者卡伦德（Guy Stewart Callendar，1898-1964年）是一位蒸汽机工程师，他是一位业余气象学者，1938年开始他提出全球温度的升高和增加的煤炭燃烧量紧密相关，从而让二氧化碳气候变化理论研究被重新受到关注。卡伦德收集世界各地天气数据，形成了污染气体红外吸收完整理论，并显示大气二氧化碳含量和温度一起确实在升高，这也被称为“卡伦德效应”。
这篇文章的摘要，很有现代气候变化研究的范儿：
通过燃料燃烧，过去半个世纪人类向大气中注入了大约1500亿吨二氧化碳。作者利用一切可获得的数据估计，这些注入的气体的四分之三还在大气中。利用二氧化碳和水汽的辐射吸收系数显示二氧化碳对“天空辐射”的作用。基于此，因人为二氧化碳生产导致的平均温度升高的比率估计目前为每年0.003℃。动物园气象站温度观测显示，过去半个世纪，世界温度实际增加的平均比率为每年0.005℃。
在这篇文章的图4里，作者给出了最早的不同纬度带温度10年滑动平均距平值变化以及对二氧化碳作用的估计。这张图大约可以看做人类工业革命后最初50年里地球温度的变化中，增温的趋势已经明显。
链接-5 参考文献5大气中二氧化碳浓度和同位素丰度 （SCI引用：188次）
本文作者查里斯·大卫·基林（Charles David Keeling，1928-2005）因为开创了大气CO2含量观测的结果，即基林曲线，为人类活动“干预”自然界提供了最有说服力的科学证据，而被气象界乃至全球学者所熟知。 基林1928年4月20日出生于美国的宾夕法尼亚，1948年他在伊利诺斯大学获得化学和同位素地球化学专业学士学位，1954年又在美国西北大学获得博士学位后，来到加州技术研究所作博士后，开展地球化学方面的研究并开始对观测大气中CO2的含量问题感兴趣。19世纪末，有科学家提出温室气体可能会影响大气温度，但是大气中CO2增加的可能性，却因为过度相信海洋会吸收大部分增加的CO2而没有受到关注。那时科学界普遍认为，理论上大气中CO2的含量会因为煤等化石燃料的燃烧出现全球尺度的变化，但因为人类活动造成的CO2增量到底是累积在地球大气中还是被海洋和陆地植被所吸收则没有任何认识。
地球大气层包含多种气体，其中的一些气体，例如，二氧化碳和甲烷等，具有的一个共同点是能够吸收红外线。以可见光为主的太阳辐射，穿越地球大气层后，可以加热地表，后者被加热后发射红外线。正是由于CO2等气体的存在，地表发射的红外线无法穿过地球大气层使得热量在外层空间释放，这些气体也因为将热量保留在地球大气层内而被称为温室气体。正是因为CO2等温室气体的存在，使得地球大气具有了温室效应，这一机制是地球成为适宜人类居住家园的重要原因之一。
然而，因火山喷发等过程逐渐在地球大气层中存储和通过自然循环过程保持基本稳定的地球大气CO2含量，因人类活动，尤其是人类对能源的消耗而形成新的人为来源而发生了改变。这种改变，或者说是急剧增加，伴随工业化革命人类开发化石燃料从而向自然索取更多能源的出现，逐步引起科学家们的关注。
1950年代，加州大学斯克里普斯海洋研究所的2位科学家罗格·雷维尔（Roger Revelle，1950-1964年任海洋所所长）和汉斯·聚斯（Hans Suess）最早认识到，海洋作为CO2汇的能力是有限的，因为海洋的表面水与深层水的混合是一个缓慢的过程。于是观测大气中CO2含量成为紧迫的科学课题。雷维尔于是在1956年将基林招入海洋所，执着的基林从此就没有离开海洋所，将自己的事业定格在现代气候变化之观测和全球碳循环的研究上。
基林开始找寻新的方法，来替代存在疑问的确定CO2变化的方法，他最终决定利用红外分析仪。但由于这是一个相对量的观测，因此需要设计更为精确的校准系统，使观测更为精确和不同测站长时间的观测记录之间具有可比性。
在1957–58年国际地球物理年期间，美国在莫纳罗亚山和南极分别建立了大气成分观测系统，同时在实验室对南极冰芯中的空气样品进行常规采样和对样品进行测量。在南极的观测显然避开了各种局地CO2源的干扰，更能够代表全球背景大气成分变化的情况。
这篇文章是在观测站建立仅仅二年以后，基林发表的关于全球大气CO2变化的经典论文，他在图1里给出南极和莫纳罗亚站CO2含量和化石燃料释放与海洋吸收在同步增加（上图左，图中基林给出的包括莫纳罗亚站在内的最早的二氧化碳观测结果。其中莫纳罗亚站的观测值始于1958年初，图中为实点线，构成了后来的基林曲线（上图右）的开始部分。他还发现，在莫纳罗亚站大气CO2含量呈现季节变化的特征。利用同时对CO2进行的13C/12C同位素比率观测,基林还论证了这种季节变化可能是由北半球温带植被的年循环所驱动。基林用当时全球3个测站的连续观测结果，以及一些飞机观测和实验室数据，初步描绘了大气CO2的年变化属性。这张可以被称为“0版本”的基林曲线，除了让后来趋于完整的基林曲线找到了观测开始点，最大的科学意义在于，在很大程度上证实了CO2相对稳定的季节变化规律，从而改变了以前学界认为的，CO2不同于氧气、氮气等大气成分，其变化基本上是无常的概念。
1976年，基林在论文中再次给出大气CO2含量的观测结果。经过近20年的思考和研究，更有信心的基林这次集中讨论莫纳罗亚山的记录，从而提示同行，大气CO2含量长达15年的增加趋势，基林曲线雏形就此形成（左），2015年4月更新的基林曲线（右），图中照片为莫纳罗亚山观测站。
基林曲线还将被继续延续下去，但是这条真实地反映着人类对自然不断膨胀需求的，依然不断上升的曲线，绝不是基林的本意。这样的曲线如何画下去，是值得越来越多的地球人不断思考的问题。
链接-6 参考文献6大气二氧化碳浓度变化对地表辐射平衡及气候的影响 （SCI引用：110次）
来自德国慕尼黑大学气象所的作者F.Möller，在这篇文章里捍卫了大气二氧化碳浓度变化对辐射平衡，从而对地球气候带来的影响，指出当大气二氧化碳从300ppm增加到600ppm时，温度将增加1.5℃。他还指出，云仅仅减少了辐射效应但对温度的改变没有作用。
作者还在表1里，梳理了包括其本人在内当时一些研究得到的结果：水汽、二氧化碳浓度（无云）和二氧化碳浓度变化对地表辐射影响的量化结果。
链接-7 参考文献7大气对流调整热平衡 （SCI引用：544次）
这是气候模式首创者于1964年发表的瞄准对流调整机制的论文，如回顾文章所言，正是基于这篇文字，作者在构建了1967年具有里程碑意义的首篇气候模式论文。
作者还在下图中，用二氧化碳分层吸收率揭示了温室气体通过对地表辐射的捕捉，提高了大气中的热量，从而带来温度的升高。
链接-8 参考文献8从地球能量收支分析推论气候敏感性 （SCI引用：5次）
这篇作者自引用的2016年的综述比较了近期从地球能量收支变化分析平衡气候敏感度（ECS）——即在大气二氧化碳浓度翻倍的情况下平衡状态的全球平均表面温度变化——的结果（如图），这些结果大多处于IPCCAR5给出的可能范围（1.5-4.5K）的低值。有效辐射强迫主导了发表结果的总体不确定性。年代际分析中不确定性的最大来源是不够了解ECS与年代际反馈之间的关系。作者认为在模式中分析有效的辐射强迫可以极大地推进这一方面发展。
链接-9 参考文献9海洋-大气结合模式的气候计算 （SCI引用：117次）
本文为文献1作者在发表文献12年后，建立的海气耦合气候模式。尽管文章描述的海气分布还很粗糙，但正如翻译文章所言，这篇仅4页的论文，是气候模式从1D走向2D的第一步，它使得气候模式里，包括了海洋和大气相互作用这一最重要的机制。
链接-10 参考文献10CO2浓度加倍对大气环流模式气候的影响 （SCI引用：568次）
本文为文献1作者在1975年发表的文章，与以前讨论CO2的气候问题仅仅是研究的附带成果不同，这篇论文应用大气环流气候模式，直接阐述CO2加倍对气候的影响。
作者在图2中给出的模式运行机理框式图（Box Diagram），很快被学术界认可，并在随后大量发表的气候变化模式模拟研究文章中，成为“标配”，以展示模式不同模块之间的联系。
链接-11 参考文献11大气二氧化碳增加对气候的影响 （SCI引用：501次）
这篇1981年发表在Science上的文章（左），还给出1880年以来3个纬度带和全球温度变化（中），以及1980年全球不同能源来源使用量和排放量（右）。文章完整信息如下：
文章名：Climate Impact of Increasing Atmospheric Carbon Dioxide
作者：J.Hansen,D.Johnson,A.Lacis,S.Lebedeff,P.Lee,D.Rind,G.Russell
出处：Science,213(4511):957-966，28Aug1981,DOI:10.1126/science.213.4511.957
文章摘要：1960年代中期到1980年间，全球气温上升了0.2°C，比上个世纪升温了0.4°C。这个升温与由测量到大气二氧化碳的增加值计算的温室效应一致。温度升高趋势的波动主要来自火山气溶胶和可能的太阳光亮度的变化。结果表明，人为二氧化碳变暖应于20世纪末从自然变化的噪声水平中凸显出来，1980年代也有很大可能出现变暖。21世纪对气候的潜在影响包括气候带转变使北美和中亚地区出现干旱多发地区，西南极冰盖的侵蚀，随之而来的海平面上升，以及传说中的西北航道的通行。
链接-12 参考文献12海气相互作用在CO2气候问题中的作用 （SCI引用：198次）
这篇作者来自NCAR，发表于1981年的文章，是1980年代气候模式研究和应用相互结合的典型，也是全球气象学者开始紧跟温室气体排放问题，研究其气候效应并获得越来越多科学成果的典型研究文章。本文致谢信息显示，著名学者，数值天气预报的开拓者之一查尼，首肯了这篇文章的初稿，并给予作者鼓励。
链接-13 参考文献13辐射对流平衡为框架研究对流及其与周围大尺度环境相互作用 （SCI引用：2次）
本文为2016年发表的文献，作者来自德国马普气象所和美国GFDL，文章主要针对在认识气候敏感性时的一个关键障碍——对流云不确定性的表述展开。发表的期刊，地球系统模拟进展杂志也是更加专业的期刊，同时也表明，气候模式已经和将要与地球系统模拟更加密切地联系在一起。
