普林斯顿大学的气候模型

普林斯顿大学对环境问题的重要研究在今天和将来都将是解决人类一些最棘手问题的关键。我们的影响力建立在长期、深入、广泛的个人奉献、智慧领导、坚持不懈和创新的基础之上。这篇文章是系列文章中的第一篇，介绍了普林斯顿大学在过去半个世纪在环境方面的卓越成就。

想象一下，你可以实验性地操纵整个星球的气候。你可以随心所欲地在任何你想要的地方撒雨云，增加或减少大气中的温室气体，改变入射阳光的强度，重新安排山脉或森林……这种可能性是无穷无尽的。

这就是气候模型的承诺，在世界上最快的计算机上运行的复杂计算机模拟。这些庞然大物——拥有超过100万行计算机代码，足以填满数千页印刷文本——尽可能多地复制地球系统的各个方面。

这项努力旨在解决人类面临的最大挑战之一:气候变化。计算机建模是现代气候科学的心脏，是我们理解人为导致的全球变暖的基础，也是政府间气候变化专门委员会(IPCC)在气候变化评估中提到的一个特别重要的工具。如果国际决策者成功地组织起来避免了气候灾难，这将在很大程度上归功于这些模型的影响——以及创建这些模型的科学家。

现代气候模型的诞生地

Syukuro Manabe

Photo courtesy of the Franklin Initiative

半个多世纪前，普林斯顿大学与福雷斯特尔校区的国家实验室建立了良好的合作关系，开创了气候建模的历史。地球物理流体动力学实验室(GFDL)于1967年与普林斯顿大学合作，并于1968年迁往新泽西，以利用普林斯顿大学在早期计算方面的领导地位和靠近高级研究所的优势。

普林斯顿大学gfdl学院的luminary Syukuro ” Suki ” Manabe发表了一系列研究，这些研究被广泛认为是启动了全球气候变暖的长期研究，并将地球气候变暖与二氧化碳排放增加联系了起来。特别是，他1967年与理查德·韦瑟拉尔德(Richard Wetherald)共同创建的大气模型，被认为是对地球气候的第一个可靠计算。1969年，马那比与开创性的海洋学家柯克·布莱恩(Kirk Bryan)合作创建了第一个海洋-大气耦合模型。

Photo courtesy of Princeton University Press

“这确实是全球气候建模工作的开端，”普林斯顿大学生态学家斯蒂芬·帕卡拉(Stephen Pacala)说，他是弗雷德里克·d·皮特里生态学和进化生物学教授，至今仍与GFDL广泛合作。

今年，由普林斯顿大学出版社出版的《超越全球变暖:数值模型如何揭示气候变化的秘密》是Manabe和他以前的学生Anthony Broccoli合著的新书。在这篇文章中，他们解释了Manabe开创性职业生涯背后的利害关系。他们写道:“除非温室气体大幅减少，否则全球变暖很可能在本世纪剩余时间以及未来许多世纪对人类社会和地球生态系统产生深远影响。”

迈克尔·奥本海默

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Frank Wojciechowski

Manabe对全球变暖这一事实的早期理解推动了他的开创性工作。“Suki Manabe无疑是气候变化科学界的伟大英雄之一，”迈克尔·奥本海默(Michael Oppenheimer)说。他是IPCC的活跃成员，普林斯顿能源与环境政策研究中心主任，阿尔伯特·g·米尔班克(Albert G. Milbank)地球科学和国际事务教授。

奥本海默指出，甚至在IPCC成立之前，Manabe的工作就动员了气候行动。美国国家科学院1979年的一份气候总结肯定了他的模型和美国宇航局后来的一个模型的整体预测的稳健性。奥本海默认为，瑞典科学院的认可激活了科学界，刺激了各国政府显著增加对气候变化研究的资助。

奥本海默说:“所以你可以很容易地说，比NASA模型早10年左右的普林斯顿模型是后来一切的基础。”

研究和教学

Jorge Sarmiento

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Denise Applewhite, Office of Communications

随后，在普林斯顿大学，人们在建模、研究和教学方面取得了50多年的进步。1968年，牛津大学创建了今天的大气和海洋科学项目(AOS)的前身，这是一个致力于理解驱动全球气候系统的关键机制的研究生和博士后项目。

“从一开始，这个项目就有一种特别的学院氛围，学生们可以自由地从全体教员那里寻求建议，并接触到各种各样的想法，”布莱恩说。他和马那比一样，都是这个项目的教员的创始成员。“这培养了独立思考的人，也帮助我们的研究生在离开普林斯顿后取得了成功。”

本科生、研究生和博士后研究人员都有机会向GFDL的科学家学习，并直接使用他们的超级计算机工作。很快，该校就有了源源不断的年轻研究人员，他们毕业前后都在“街对面”工作。另一些人则在世界各地的大学和机构中播下了新的气候科学项目的种子。

“普林斯顿大学对气候研究和教育的贡献是无法测量的——而且它们是不能分开的，”美国科学院院长乔治·萨米恩托说，他是乔治·j·马吉地球科学和地质工程的退休教授。“只说一个，不能公正地说明这个机构的巨大影响力。他们教育了全世界。”

增加复杂性

埃琳娜Shevliakova

Photo courtesy of Princeton Environmental Institute

多年来，科学家们在模拟中加入了越来越多的变量。“气候建模是一个不断增加复杂性的故事，”GFDL的资深科学家、AOS的讲师汤姆·德尔沃斯(Tom Delworth)解释说。“你正在增加你试图建模的组件的数量，并且希望能更好地表现每个组件的物理过程。”

在这方面，普林斯顿大学再次发挥了主导作用。普林斯顿大学和国家实验室之间的紧密联系意味着，这些模型可以得到普林斯顿大学广泛而深入的环境研究人员的支持，这些环境研究人员研究全球气候背后的过程，包括萨米恩托，他将全球碳循环和氮循环等生物地球化学过程纳入其中;Laure Resplandy，他将海洋物理、生物地球化学和生态系统与气候模型联系起来;以及Gabriel Vecchi，他改变了我们对世界海洋中的热带气旋——飓风和台风——的理解。

“随着模型变得更加复杂，你需要更多的专业知识来发展和解释它，”艾萨克·赫尔德(Isaac Held)说，他是AOS的高级气象学家，也是Manabe最早的研究生之一，凭借自己的能力已经成为世界著名的气候学家。“与大学的联系使这成为可能。”

帕卡拉有一个特别重要的角色,Elena Shevliakova说普林斯顿环境研究所访问研究学者帕卡拉的实验室博士后。”史蒂夫这个愿景,我们不仅可以代表植物作为碳的箱子,但捕捉每棵树的生长发育和死亡,”她说。“他首创了一种数学方法来展示植物是如何争夺光照的，这也为每个美国气候中心使用的‘地球系统模型’奠定了基础。”

她还说，“史蒂夫以一种严格的数学方式，为这些物理气候模型注入了活力。”

政府间气候变化专门委员会

在Manabe的第一个模型敲响了二氧化碳导致地球温度升高的警报后的20年里，足够多的气候科学家——在普林斯顿和其他地方——敲响了人类引起的气候变化的警报，世界各国政府开始关注。1988年，联合国呼吁组建一个专家小组，让世界决策者定期评估科学状况。IPCC的第一份报告发表于1990年，其结论主要基于两种气候模型:普林斯顿- gfdl模型和由NASA生成的模型。报告继续每五年发布一次，所有的报告都使用了普林斯顿- gfdl模型，作者或编辑都是普林斯顿大学的。

2007年，诺贝尔和平奖被联合授予戈尔和IPCC。11名普林斯顿大学教师——包括赫尔德、奥本海默和萨米恩托——以及许多校友为诺贝尔奖引用的IPCC报告做出了贡献。

这张1969年的照片显示了AOS的高级科学家Kirk Bryan(左)和Suki Manabe与GFDL主任Joseph Smagorinsky交谈，正是他把GFDL带到普林斯顿，因为这里的智力环境和计算机资源。

Photo courtesy of the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory

以遗产为基础

五十年以来Manabe和海气布莱恩的第一个模型中,普林斯顿大学的气候科学家,GFDL继续推动的局限性日益强大的超级计算机,模拟全球气候有足够的目标特异性产生局部预测,对时间尺度从几个小时到几个世纪。

“当你看所有的碎片，我们有真正的卓越，”威基说，地球科学教授和裴，谁是世界上最重要的飓风气候学家之一。