我们知道 ， 可靠地预测比未来十天更久的天气是很有挑战的 。 大约两百年之前 ， 著名的法国科学家拉普拉斯(Pierre-Simon de Laplace)认为如果我们知道宇宙中所有粒子某一时刻的位置和速度 ， 那么以此计算我们的世界过去发生了什么以及未来会发生什么就是存在可能的 。 理论上来说这应该是没错的 ， 因为牛顿流传了三个世纪的运动定律是可以描述大气层中的空气运动的 ， 而牛顿定律是完全的决定论——它们不受可能性影响 。
但是当我们将理论应用于天气时 ， 他们真是不能更糟了 。 这一部分的原因是 ， 在实际中我们不可能足够精确地测量这些物理量——大气中每一处的空气温度、压强、湿度以及风力分布 。 并且 ， 这些方程是非线性的 ， 意味着初始数值的微小变化也能使一个天气系统进行完全不同的演化 。 根据著名的在巴西扇动翅膀的蝴蝶能否导致德克萨斯州的龙卷风这一问题 ， 这类现象被命名为蝴蝶效应 。 实际上 ， 这意味着我们不可能进行长期的天气预测——因为天气是混沌的 。 美国的气象学家洛伦茨(Edward Norton Lorenz)在上个世纪六十年代发现了这一现象 。 洛伦茨也建立了如今的混沌理论 。
读懂噪声数据
天气是一个经典的混沌系统 ， 即便如此 ， 我们该如何建立能够可靠预测未来几十年甚至几百年的天气的模型呢？在1980年左右 ， 哈塞尔曼(Klaus Hasselmann)展示了如何可以用快速变化的噪声来描述混沌变化的天气现象 ， 并给长期的天气预测提供一个坚实的科学基础 。 不仅如此 ， 他还发展了一套从观测全球天气来判断人类对其影响的方法 。
20世纪50年代 ， 作为德国汉堡的一名年轻的物理学博士生 ， 哈塞尔曼主要的工作集中于流体力学 ， 然后开始发展海浪和洋流的观测和理论模型 。 之后他搬到加利福尼亚 ， 继续从事海洋学研究 ， 在加利福尼亚他遇见了查尔斯·大卫·基林（Charles David Keeling）等同事 。 哈塞尔曼一家还与他一起创办了一个宗教合唱团 。 在此之前 ， 也就是1958年 ， 基林在夏威夷茂纳罗亚太阳天文台开始了目前最长的一系列大气二氧化碳测量工作 ， 他也因此而闻名 。 然而此时 ， 哈塞尔曼并不知道 ， 在他后来的工作中 ， 他会经常使用显示二氧化碳变化水平的基林曲线 。
我们可以通过遛狗这一日常行为来描述如何从嘈杂的天气数据中获取气候模型：狗前后左右的绕着主人的腿跑 。 那么如何利用狗的足迹来判断主人是在走路还是站着不动？或者主人走得快还是慢？狗的足迹相当于天气的变化 ， 而人的行走轨迹就相当于是经过计算的气候 。 那么我们可以利用混沌和嘈杂的天气数据得出气候长期趋势的结论吗？
另一个困难之处是 ， 影响气候扰动能随时间变化极大——它们可能很急促 ， 如风力或气温 ， 也可能很慢 ， 如冰盖融化和海洋变暖 。 例如 ， 海洋均匀地加热一度需要一千年 ， 而大气层只需几周 。 决定性的诀窍是将天气的快速变化作为噪声纳入计算中 ， 并展示这种噪声如何影响气候 。
推荐阅读
- Google|谷歌暂缓2021年12月更新推送 调查Pixel 6遇到的掉线断连问题
- 科学|中阳县北街小学：体验科学魅力
- 数字货币|2021年加密货币市场盘点：比特币仍是霸主，NFT进入大众视野
- 文章|美媒文章：古人类领域2021年六大新突破
- 牛上|英媒文章：2021年最有趣的科学发现
- 技术|科技赋能创新发展
- 曹志兴|90后教授曹志兴：最一流的基础科学来源于好奇心
- 何由|2021年，奔向星辰大海的脚步更稳更远！
- 审判|直接服务“三城一区”主平台，怀柔科学城知识产权巡回审判庭成立
- IT|2021年中国人均睡眠不足7小时：睡眠不足加剧