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今年諾貝爾物理學獎其中一半，頒發給了真鍋淑郎與哈斯曼兩位氣象學家。20 世紀初，氣象學家開始研究如何運用物理定律描述天氣系統的發展，進行天氣預報。隨著觀測與計算科技的進展，氣象學家逐步建構以理論為基礎的地球大氣環流模式，進行數值天氣預報與地球氣候模擬。真鍋淑郎奠立了以數值模式研究地球氣候變動的基本架構，可靠地預測地球溫度變化與大氣中二氧化碳含量的關係。而哈斯曼建立的統計氣候模式，說明隨機短期天氣擾動對長期氣候變化的影響，並利用最佳指紋辨識法確認地球氣候變遷與外部驅動力的因果關係。

諾貝爾物理學獎在今（2021）年首度頒給了兩位氣候科學家：長期在美國大氣海洋總署（National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）地球物理流體力學實驗室（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, GFDL），與普林斯頓大學大氣與海洋科學研究所工作的真鍋淑郎（Syukuro Manabe），以及德國馬克斯‧ 普朗克氣象研究所（Max Planck Institute for Meteorology）的創所所長哈斯曼（Klaus Hasselmann），表彰他們在建立地球氣候的物理模式，並能以其量化氣候系統變動，且可靠地預測全球暖化方面所做的貢獻。

►諾貝爾物理學獎得獎者►

早期的氣候變遷研究

關於氣候變遷相關的科學發展，最早可回溯到19 世紀初期的法國數學家傅立葉（Jean-Baptiste Joseph Fourier）提出地球大氣可能使地球溫度增暖的推論。到了19 世紀中期，愛爾蘭物理學家丁達爾（John Tyndall）運用紅外線感測儀器，指出能吸收紅外線波段輻射的，並不是大氣中的主要成分氮氣、氧氣，而是水氣、二氧化碳、甲烷等含量較少的氣體。

根據這些理論基礎，到了19 世紀末期，興趣廣泛的瑞典化學家，同時也是1903 年諾貝爾化學獎得主的阿瑞尼士（Svante August Arrhenius），開啟了科學家對於大氣中二氧化碳含量變動對地球氣候可能影響的量化估計。他只用簡單的方程式與氣候模型，以紙筆計算大氣與地表的能量收支平衡，受二氧化碳含量增減的變化，得出地球各地隨緯度、季節的溫度改變，而且他當時亦考慮了水氣與冰雪，在溫度變化下可能產生的反饋效應。

雖然當時阿瑞尼士高估了二氧化碳吸收紅外線輻射的能力，也無法考慮大氣環流的變化，導致他算出的全球溫度，比現在聯合國跨政府氣候變遷專門委員會（IPCC）評估報告中的推估值更高。不過，他寫這篇論文的本意並非探討工業革命使用化石燃料的可能影響〔註〕，而是希望用二氧化碳含量變動解釋冰河期與間冰期的轉變。事實上，一直要等到數十年後，英國發明家卡倫達（Guy Stewart Callendar）所發表的論文，才開始強調工業革命後使用化石燃料對大氣中二氧化碳含量的可能影響，但是當時的估計還是使用非常簡單的理論模式計算，也沒料想到後來二氧化碳含量增加的速度那麼快。

註：當時多數地質科學家認為，人類活動對二氧化碳含量的影響有限，可以被自然的沉積地質過程去除。

氣象預報的開端

另一方面氣象學發展，從北歐卑爾根學派的（Bergen school）〔註〕的挪威氣候科學家皮耶克尼斯（Vilhelm Bjerknes）以理論的方法，根據流體力學與熱力學的基本定律與數學方程式，描述並分析研究大氣運動的特性與變化。雖然早期受到觀測資料與計算能力的限制，但是卑爾根學派還是可以透過天氣圖的製作與分析，理想化氣旋發展模型，提供天氣系統變動的有用預報資訊。

英國氣候科學家理察森（Lewis Fry Richardson），在1922 年發表《通過數理過程預測天氣》（Weather Prediction by Numerical Processes）一書中，已經開始想像如何通過數量眾多的計算員與指揮聯絡系統，即時求出描述天氣系統的微分方程在地球上每個網格點上，數值解隨時間的變化，並用其預報未來的天氣。……【更多內容請閱讀科學月刊第624期】

註：由挪威氣象學家皮耶克尼斯開啟的卑爾根學派，建立了現代天氣預報的基礎，成功地運用物理定律，加上大量觀測資料收集與天氣圖的分析、診斷，以科學方式進行天氣預報。