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气候变化关乎人类命运，我们希望能“无缝隙预报”。 3 ?/ \1 ^8 W0 T; e8 d3 f
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2022复旦管院科创周
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系列论坛之 . b4 V% i0 |& ~; G, X
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+ a# r# j- \7 o- l “科创先锋论坛·科学之问” ( K( e2 ^# A/ k
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7 T5 F( H7 u6 C 特邀中国科学院院士穆穆
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深度解析未来大气科学的发展
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探讨人与自然和谐发展的新途径 1 C6 u& J: h* P2 z/ K
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9 ?% R+ y+ r* u: z$ Q$ n 穆 穆，中国科学院院士、大气动力学家、复旦大学大气与海洋科学系特聘教授
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: ~2 ^; o F; l% W 大气科学研究关注什么？ 2 H( ]7 ^2 X+ l; w1 g; A& C$ T
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大气科学研究发生在大气圈层里的动力学问题、物理问题、化学问题，等等。所以，这是建立在数学、物理学、化学以及计算机科学基础之上的一门学科。一旦有新的技术诞生，比如计算机、无线电技术、雷达技术、卫星技术，以及现在非常热门的AI、大数据等，大气科学都会非常及时地将它们运用到其中。
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■和“老天爷”打交道的三件事 & q# i/ _6 J. [0 T
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大气科学主要做什么事情呢？通俗地说：第一件事情，我们要“看老天爷的脸色”，指的是要去做观测，而且要做观测的设计；第二件事情，我们要“摸老天爷的脾气”，也就是要认识与理解大气；第三件事情是要“猜老天爷的心思”，我们要做数值模拟，同时还要做预报预测。 : B) f% u# ]& I( T4 R @* u, a J
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; c5 S0 P3 z5 c! @, T* K3 q: M 大气科学主要做了什么事情？一方面，我们可以对高影响海-气环境事件做出有价值的预报，像台风、龙卷、雾霾，气候事件ENSO（厄尔尼诺与南方涛动的合称）以及海洋上的风暴潮，等等。另一方面是如何应对气候变化，包括政策制定，以及碳中和、碳达峰等，都是大气科学构建宜居地球的重要内容。
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G" Y' m- b7 I4 |$ f2 T ■天气、气候变化关乎未来地球人类命运 . d8 \' x9 I8 K1 Y: P" }/ W4 q
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! z9 }. O; x2 Y6 t2 D 地球上的大气是我们生命的保护伞，如果没有大气层，地表的平均温度大概是-18℃，而2020年地表的平均温度是14.9℃。另外，大气层相当于4.5米厚的混凝土，它能够挡住来自太空的宇宙射线、带电粒子、紫外线等等。我们常常用“风云变幻”、“气象万千”来形容大气，但大家可能不知道，在任意时刻，地球上都发生着1800场雷雨，平均每天有4000场雷雨，而一个中等强度的台风24小时释放的能量相当于英国和法国一年的能源需求。当然，很遗憾，我们现在还不能够利用这种能源。 7 _4 v2 M) N8 ]% [9 Z8 }) t
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马克·吐温有一句非常有名的话：每个人都谈论天气，但是很少有人为它做点什么。从现在的科学认知水平来说，他似乎说对了一半——现在，人类影响了天气，影响了气候。未来，人类能为天气、气候做出自己的贡献。
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; D, x0 P/ `( G6 Q9 v }% s 大气层是复杂的天气、气候系统当中最为活跃的一层，它跟海洋、陆面等等发生相互作用，构成了我们现在的天气、气候系统。这里特别强调了海洋，因为海洋是以其巨大的热能在驱动大气的，它的密度比大气高得多。举一个例子，1升海水的温度假如下降1℃，它散发出来的热量就可以使3600升的空气温度升高1℃。这就是我们在研究大气的同时也要研究海洋的原因。天气、气候变化是关乎未来地球人类命运的。随着气候的变化，热带气旋的强度会增加，而全球变暖使得冰雪圈会融化，也会带来更多的洪水、沙漠化等问题。 : w' Z5 G3 r3 X( s) E/ Y: F8 F% S
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今年我们在长三角地区、在长江流域都感受到了夏季北半球的高温热浪。在7月21日至8月30日的最高气温实况图上，对角线上面西北和东南都是高温热浪、维持时间很长。长三角地区、长江流域最高的甚至超过了30天。北半球的其他地方，像欧洲、南美也受到高温热浪的影响。英国气象局7月18日发布了历史上第一个异常高温红色警告，部分地区气温首次突破40℃。 % @8 l$ |" U) T. A+ T: f
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/ d* _' k. F7 u% F/ y6 n 除了高温热浪，冬季暴雪同样形势严峻。大家也许看过电影《后天》，2018年，迷你版的《后天》在现实世界上演。除此之外，还有干旱。2019年9月至2020年2月，南半球的澳洲干旱大火使得动物流离失所。可以毫不夸张地说，地球上人类排放的温室气体关系着人类的未来命运。上世纪90年代的研究认为，全球变暖导致冰雪融化，地球也许最终会变成一个水球。到本世纪初，电影《后天》上映，这部影片认为地球有可能变成一个冰雪世界。去年，热门电影《沙丘》认为随着温度的升高，地球也许会变成一个荒漠化的星球。当然，这些并没有定论，但关系到人类如何去应对气候变化。
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大气科学有哪些贡献？
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大气科学对人类社会已经做出的贡献，主要是三个方面。 , \/ T$ t% k1 W `. U. B
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. s" y! {! o! {" t: U9 p. L ■第一，预报和预测 8 w; z+ `9 w" u+ j( [+ H
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" m* x6 o" F4 P% P0 m% J6 o4 B “预报未来”是人类永恒的追求之一。天气预报是“猜老天爷将来的心思”，气候预测还要考虑海洋，所以我们实际上是在猜“老天爷与海龙王”的心思。希腊神话里也有类似的故事。 % s9 @" C% c6 N6 l6 ^
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衡量一门科学是否成熟，大概有两个方面，一是对未来发生的事件能做出有价值的预报，二是对尚未发现的现象做出能够被将来的观测所证实的预言。人类历史上，天文学一开头是走在前面的，后来海洋学去预报潮汐，现在能够预报天气、进行气候预测，这是大气科学研究做出的贡献。美国国家科学委员会的一个报告评价说，认识和预测天气方面的进步是20世纪科学最显著的成果之一。而世界气象组织把天气预报也评价为是20世纪最重大的科技和社会进步之一。 + k) [8 M2 Q) \7 X
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2 }% }/ {2 g/ a" d; w' a 大气科学是一个小学科，但是可以不谦虚地说，我们是有比较大的作为的。中国国家科学技术奖励体系中的最高级别是“国家最高科学技术奖”，到2020年，一共有35名获奖者，大气科学这个非常小的学科有两位获奖者，一位是著名的气象学家叶笃正先生，一位是曾庆存院士。他们也是我当年在中国科学院大气物理研究所工作时的两位老师。 ) a3 {, z+ j+ E5 W7 q0 q
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天气预报的历史可以追溯到1916-1918年间。英国数学家理查森第一次做的数值天气预报失败了。上世纪50年代，查尼和冯·诺依曼用人类第一台电子计算机成功地开展了第一次数值天气预报。数值天气预报实际上就是把数学、物理学、化学等结合起来，用描述大气运动的数学、物理的方程组进行求解。高速电子计算机做出预报的流程大概是这样的：一开始，我们要观测获取资料，通过资料同化，输到模式里去做出预报，最后输出结果。
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5 w7 i- k( S4 @, ~) Z2 D" N5 R 这里我稍微谈一下数值天气预报的重要性。一个非常值得一提的例子是，去年5月22日，在甘肃白银开展了一次100公里的山地马拉松比赛。气象预报给出了大预报，由于比赛的场地是山地，还不能做出精细化的预测，但我们还是比较好地预报出了锋面过程。有气象知识的选手就准备了冲锋衣，而不了解锋面过后一定有大风降温的选手，在马拉松比赛当中着装太单薄，有人因此失去了生命。
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■第二，应对全球变暖和气候变化 ' B/ r8 v$ c, h' A6 w0 Y" U: r- x
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- o+ b/ J* R% K/ m- D 去年诺贝尔物理学奖颁给了Manabe、Hasselmann和Parisi，Parisi是研究复杂系统的，而前面两位都是大气科学家，获奖的原因是他们对地球气候的物理建模、量化可变性和预测全球变暖做出了重大贡献。诺贝尔奖是没有大气科学奖的，但是我们做的是物理学问题、化学问题。 1 l5 g: E6 z0 q1 W7 H7 m0 K* i
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1 Y! R* h D3 s% R! U$ D 与管理科学有关系的是2018年诺贝尔经济学奖得主诺德豪斯，他把气候变化纳入了长期的宏观经济分析，构建了一个经济学模型。 , V+ R0 y& @+ J# V, G7 i0 s) a2 M
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0 W+ a8 H5 |% K, L3 M+ k9 X, O ■第三，促进生态环境的保护 & F7 g" D4 y+ Y
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1 \& i# B- j: M2 ]. w! y9 G 我们知道，高空的臭氧是好的，因为它可以阻挡短波紫外线，保护人类和生态系统，但是在近地面的臭氧则可以危害人体健康，甚至对农作物生态系统造成很不好的影响。1995年诺贝尔化学奖授予了三位大气化学家，他们的主要贡献是发现南极臭氧层空洞的形成主要是和人类排放的氟利昂(以前用作冰箱制冷剂)有极大的关系，他们的工作促进了《蒙特利尔议定书》的签订，意味着大约99%的消耗臭氧层物质被淘汰。这一贡献对人类社会发展的影响是巨大的。
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$ R* D; u( X0 V! x2 q3 t 大气科学有哪些机遇与挑战？ ! ]2 {: ?+ X+ g& x8 i; i" ^
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虽然我们的模式取得了很大的成就，但是随着全球变暖，近些年来各地的极端天气气候事件频发，我们对它的预报频频失误。 1 I8 e! R5 H+ [3 |# q& P& D
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人类历史上经历过很多次极端天气灾害。去年5月18日，北极观测到了最高的热浪；莫斯科创下了高温纪录；澳大利亚大火也带来巨大的生态灾难。我国也是极端天气气候事件的高发区，虽然大范围的天气形势我们能够预报出来，但是没有预报出具体在什么地方发生多大的暴雨。所以有一个笑话说，幸亏我们没有住在“局部”这个地方，否则我们天天就要下雨了。因为以前我们的预报常说“局部地区有时有阵雨”。 % _" ~2 l$ @/ g
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■地球是否继续宜居？极具挑战的科学难题 + I4 ~0 a7 L8 f! s$ k. A
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( h& w; F H" a, {( ?+ G! k 为什么我们的预报会有误差呢？有三个方面的原因。一是观测有误差，任何仪器的观测都是有误差的。二是模式有误差，我们对自然界的认识还不全面、不充分。三是天气气候系统是一个非常复杂的、非线性系统，这导致了我们不能准确预测其走势。说起复杂性和非线性，就要提到洛伦兹的蝴蝶效应：一只在亚马逊雨林中的蝴蝶偶尔扇动几下翅膀，就可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。这一形象的比喻说明了非线性构成的重要性。 % S3 g7 m+ g% n; h- B
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2 s# Q- P/ W, }3 F" G 地表是非常复杂的，云也是非常复杂的，这些系统在我们的预报模式里面描述起来都是非常困难的。所以，从Science提出来的125个科学难题中，我们也可以看到，大气科学是非常值得关注的重要的科学。地球科学世界难题中的第一个问题是：我们是否可以阻止全球气候变化？与之相连的就是：我们能够把过量的二氧化碳存到什么地方？第三个问题是：我们能不能很好地做出预报？第四个问题也与未来气候变化有关：假如南北极的冰、地球上的冰川都融化了，我们的海平面能升到多高？对于像上海这样的滨海城市有多大的影响？这都是非常有挑战性的问题，关系到人类的生存，关系到地球是不是还继续宜居。
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4 ] e6 r* I' J7 M, a 大气科学是跟数学、物理学紧密相连的，像著名的N-S方程的问题，它的解决和天气气候能不能够很好地预报、能够预报多长时间是紧密相关的，所以我们也期盼着数学家能够做出贡献。 : L; {7 ?! i. L& O- X
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■科学家正在做的事：无缝隙的预报系统 ; s" D9 _( R% f0 A# \' Z
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现在，大气科学界在做的一件事是“无缝隙的预报系统”，希望能够把像龙卷风这种时间尺度只有几分钟、十几分钟，到台风时间尺度为几天，再到气候半年、一年以及到年代性的变化、气候预测都能够无缝隙地进行预报。这是一个非常有挑战性的、需要慢慢努力的课题。 * \) n" r/ D J
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在这个方面，我所领导的课题组在做两件事情。 . J/ Y1 ]) l6 [/ J- @/ m
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4 S8 A0 }" X" Y. x 第一件事，刚才谈到，我们的预报总是有不确定性的，那这个不确定性怎么办呢？我们要考虑到观测的误差，所以要用另外的办法，也就是用概率预报去做，比如明天的降水概率是40%、25%，温度多高的概率是多少，等等，这都是用概率预报做出来的。概率预报实现的方式就叫集合预报。集合预报又怎么去做？我们提出了CNOP（条件非线性最优扰动）方法。另外，我们可以去做目标观测，这也是提高台风预报的方法。2020年、2021年以及2022年我们做的几次台风目标观测，效果比较理想，已经有文章发表了。 $ k: H0 S3 I, [: K/ [. Q
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& o( M7 h( j- M$ U# ~7 ?, y* z 第二件事，我们也在关注北极。这是提高15天到30天、甚至更长时间天气预报的关键途径之一。很多研究发现，乌拉尔阻塞现象对我们冬季的极寒天气有很大的影响。我们的研究发现在北极地区，格陵兰海、巴伦支海和鄂霍茨克海这三个区域海冰的情况对我们阻塞预报有很大的影响。所以，我们希望，我们的工作也能够为将来在北极做观测提供科学指导。 1 U! x0 n" N1 [5 `1 S
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