19 THE CLIMATE SYSTEM

气候系统

朱利奥·博卡莱蒂（GIULIO BOCCALETTI）

大气与海洋学家

“气候系统”是一个强大的概念。我们在户外徒步时感觉到的四季变化的温度，我们在闲暇散步时感受到的温柔拂面的微风，我们在仰望天空时看到的缥缈变幻的云朵，我们在海滩漫步时看到的起伏荡漾的海浪，这些都是构成连贯的、相互关联的行星系统的一部分，这个系统受到为数不多的确定性物理定律的约束。

许多环境现象具有行星层面上的连贯性，这个观点首次得到明确的认识，很可能与16世纪和17世纪的伟大探索相吻合。当时，因彗星而知名的埃德蒙·哈雷（Edmond Halley）首次假设从赤道到两极存在着大气环流，这是由太阳辐射对地球的加热不均造成的。东风可靠地保证了沿大西洋的主要贸易航线向西航行的安全，这个明显的线索说明了一定有什么事情是可以解释的。这可能与地球的形状和地球的自转有关，这种解释靠哈雷的聪明才智才得以实现。尽管哈雷没有必要的数学知识，因为直到一个多世纪之后，这些数学知识才完全为人所知，但是他却第一个认识到了受约束的旋转可能对地球的流体动力学产生多么强大的影响。

然而，即使没有这样的解释，在整个历史进程中，人们也认为一直存在着连贯的“气候”，比如说，天气似乎表现出时间和空间上的连贯性。毕竟有俗语说“朝霞不出门，晚霞行千里”，这句俗语一定是捕捉到了某种程度的连贯的可预测性，才一直流传了几个世纪。今天，我们可以将这句俗语解释为对中纬度天气的预测，并可以用简化的纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation）某一特定的解对其进行定量描述。这个解被称为罗斯贝波（Rossby wave），以现代气象学的创始人卡尔-古斯塔夫·罗斯贝（Carl-Gustaf Rossby）的名字而命名。

我们对气候系统运行方式的连贯性已经习以为常，大多数人甚至认为它不是一个值得了解的科学概念。在中纬度地区，许多人都享受着夏、秋、冬、春的四季交替，随后夏天又来临了，温度、风、雨或雪都在一个可预测的正弦序列之内，我们认为这是理所当然的——事实上，我们认为这是微不足道的。这就是气候，是我们准备去一个新的国家旅行时在旅游指南第一页上阅读到的信息。我们一般通过地球倾角和地球公转对日射量的影响来解释这种气候。同样，简单的太阳活动周期也会导致在热带部分地区出现两个雨季，而在其他地区则出现可预测度极高的年度季风。季节周期竟是对如此简单、可预测的力量做出的如此复杂和多样的反应，这简直令人震惊。

更引人注目的是，我们对这一层面上的流体运动的科学理解使得大气的计算模型能够精确地模拟所有这些地球现象，人类未经专门训练的肉眼难以分辨出它们与真实情形的差别。大气的计算模型至少在理论方面是刘易斯·弗赖伊·理查森（Lewis Fry Richardson）的构想，在实践方面是约翰·冯·诺依曼和朱尔·查尼（Jule Charney）的创意，基于的是纳维-斯托克斯方程、连续性方程和辐射转移方程的相对简单的数值版本。我们认识到，吹过我们花园里的风是跨越从赤道到极地的数千千米的连贯系统的一部分，是对天文力量做出的反应。我们可以用由物理学第一原理推导出的方程定量地解释这个系统。在一定范围内，我们可以预测它的行为。如果我们有了这些认识，敬畏之感便油然而生。

很少有人知道，气候系统的连贯性还有非凡的作用。例如，地球上海洋和大气的连贯的运动可以确保热量以接近6000万亿瓦的峰值速度（大约是全世界所有发电厂装机容量的1000倍）从赤道向极地传递，因此当人们说他们在肯尼亚的内罗毕热得要死，或者在德国的柏林冻得要命的时候，这些话可以象征性地而不是从字面上加以理解。

目前人们正在进行大量的研究，来探究这样惊人的想法：在相同的太阳推动力条件下产生的几乎无法察觉的变化，即所谓的“米兰科维奇旋回”（Milankovitch cycle，由于地球轨道的形状和结构的微小周期性变化而导致到达地球的日射量产生微小调整），可能会导致冰期到来。冰期是气候对这种力量做出的反应，它意味着我们现在熟知的芝加哥会被数百米厚的冰层覆盖。我们知道，气候具有确定的连贯性并不一定意味着简单：除混沌动力学（chaotic dynamics）之外，它还可以产生自己的共振模式，比如与厄尔尼诺和拉尼娜有关的模式，这些现象需要海洋和大气的耦合作用。

这是现代科学的伟大成就之一，我们可以通过研究地球，通过气象站、卫星、浮标和冰芯进行的成千上万次的测量来了解这一切，我们还可以用物理学的基本定律来解释气候系统。这尤为重要，因为我们的一生都要在这个系统中度过。气候系统在行星尺度上的状态决定了我们在某一时期可以获得多少水，我们可以种植什么样的作物，世界上哪些地方会被洪水淹没，哪些地方会因极度炎热的天气灼烤得人无法生存。这对我们大家都至关重要。