诺贝尔物理学奖颁给了气候建模，但极端天气却越来越难预测，为何？
2021年诺贝尔物理学奖有一半授予真锅淑郎（Syukuro MANABE）与克劳斯·哈塞尔曼（Klaus HASSELMANN），获奖原因是“对地球气候的物理建模、量化可变性和可靠预测全球变暖”。物理学奖颁发给气象学家，对于气象学界而言，确实是个意外和惊喜。他们的研究成果为我们了解地球气候以及人类对气候的影响奠定了基础。
图 | Nobel Prize
气候建模获得了崇高荣誉，但是另一方面，近年来全球各地超出气象预报能力的极端天气频发。为何地球气候的物理模型日渐完善，极端天气却越来越难预测？
01全球极端天气频发应急管理部10日通告，前三季度，我国自然灾害形势复杂严峻，极端天气气候事件多发。各种自然灾害共造成9494万人次受灾，792人死亡失踪，526.2万人次紧急转移安置；15.7万间房屋倒塌，175.1万间不同程度损坏；农作物受灾面积10583千公顷；直接经济损失2864亿元。
日前，山西刚刚遭受暴雨侵袭；而在今年7月，河南郑州等地特大暴雨，雨量突破历史极值。
放眼全球，极端天气同样多发。河南暴雨同期，欧洲德国、比利时、荷兰等国也遭遇强降雨，并引发洪涝灾害。
美国国家海洋和大气管理局日前发布的数据显示，2021年7月全球平均气温破纪录，成为自1880年有气象记录以来最热的7月。美国地面最高温为81℃，汽车表面都在融化（塑料车壳）。
上述列举的极端天气气候事件，简称为极端天气，是指天气或气候变量值高于（或低于）观测值或统计值区间的上限（或下限）端附近的某已阈值时的事件，其发生概率要求小于10%。
近40年来人类经历超万次极端天气，尤其是进入21世纪以来近年更加频繁。2000年后，人类每年经历的极端天气灾难大多在300-400次之间， 也就是说，在全球平均每天上演一场或大或小的极端天气灾害。
人类历史上经历的极端天气灾害
图｜澎湃新闻
02天气预报为何不够准？今年诺贝尔物理学奖得主真锅淑郎的模型，从能量守恒的角度，将地球系统作为一个整体来考虑，能够计算出全球气候变化的趋势；但无法对局部地区的具体天气做出精确预测。
复杂系统具有随机性和无序性，而气候系统正是属于这一类复杂系统。在实践中，我们不可能做到足够精确——说明大气中每个点的气温、压力、湿度或风况。
此外，控制大气运动的动力方程是非线性的；初始值的微小偏差可以让天气系统以完全不同的方式演变。美国气象学家爱德华·洛伦兹（Edward LORENZ）上世纪六十年代提出了混沌理论及“蝴蝶效应”：蝴蝶在巴西扇动翅膀，是否会在德克萨斯州引起龙卷风？在实践中，这意味着不可能给出长期的天气预报。
03气候临界点被激活了吗？而对于极端天气的预测，还有一个关键因素——“气候临界点”。
什么是气候临界点？早在20年前，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）就提出了相关概念：“临界点（Tipping point）指的是全球或区域气候从一种稳定状态到另外一种稳定状态的关键门槛，临界点事件可能是不可逆的。”
IPCC已将1.5摄氏度的气温上升标准确定为一个较为关键的临界点，超过这个临界点，极端干旱、野火、洪水和粮食短缺的风险将急剧增加。
8月9日，IPCC第六次气候变化评估报告第一工作组报告发布(IPCC AR6），IPCC AR6再次提到了“气候临界点”这一概念，并指出: “科学界存在广泛共识，人类活动已造成全球变暖，气候系统正发生着广泛而快速的变化。”
2019年11月底《自然》杂志发表的一篇评论文章中，列出了全球九大关键气候临界点事件。目前这些全球气候变化临界点事件都正在发生：
（1）亚马孙热带雨林经常性干旱；
（2）北极海冰面积减少；
（3）大西洋环流自1950年以来放缓；
（4）北美的北方森林火灾和虫害；
（5）全球珊瑚礁大规模死亡；
（6）格陵兰冰盖加速消融、失冰；
（7）永久冻土层解冻；
（8）南极西部冰盖加速消融；
（9）南极洲东部威尔克斯冰下盆地加速消融。
9个全球气候变化临界点事件
图｜Nature
美国加州大学戴维斯分校新的研究表明，预测地球自然系统何时发生突变比预想的更难。
“气候临界点”最重要的特性是不可预测性。就像台球一样，一张固定的台球桌代表已知的地球系统，仅需要开局时的条件，我们就可以利用已有的数学物理知识推断出台球的行进路径；但在“气候临界点”被激活后，台球桌产生了变形，有序的质点运动变成无序的运动，台球桌什么时候会变形，台球未来将怎么样运动，迈过“气候临界点”的世界将会变成什么样，我们的答案只能是——不知道。
大西洋经向翻转环流在减弱
图｜Summer K. Praetorius
真锅淑郎的模型指出，大气二氧化碳浓度上升一倍，全球平均气温将上升2℃。据此，2015年世界各国达成了《巴黎协定》，力求将全球温升控制在2℃乃至1.5℃以内。
一两度的温差也许只是窗户一开一合时房间变化的温度，但这样的升温会对“气候临界点”被突破的速度产生巨大影响：如在1.5℃升温的世界，北极可能每百年才会经历一次无冰之夏，而在2℃升温的世界，它每十年就会经历一到两次。
北极海冰断裂
图｜Jenna Chamberlain
IPCC AR6最新评估报告指出，一些已经开始的气候变化（如持续的海平面上升）在数百到数千年内不可逆转。
大力和持续减少二氧化碳与其他温室气体排放将限制气候变化，世界各国纷纷制定了各自的双碳目标时间表。但愿这样的努力，能够延缓甚至逆转气候临界点事件，降低极端天气的频次和破坏。
《气候变化2021：自然科学基础》报告
图｜IPCC
特约撰稿：清风明月
科学审稿人：刘福凯博士 中国海洋大学海洋与大气学院
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