2021年诺贝尔物理学奖获得者舒朗正子——是表面模型的创始人，在研究表面模型时应该引用他的论文。

作者|卢目前在德国尤利希研究中心能源与气候研究所工作

第一个地表模型的开发者——真锅淑郎

大气科学领域有一部分专业领域统称为“气象模拟”，其中有一个领域叫“地表模式”，专门计算地球表面的各种物理、化学和生物作用。

在做这些模拟的研究人员中，有一个非常著名的日本名字叫Manabe，他的论文总会出现在大家面前，就是《Manabe 1969, CLIMATE AND THE OCEAN CIRCULATION I : THE ATMOSPHERIC CIRCULATION AND THE HYDROLOGY OF THE EARTH’S SURFACE》 [1](只有我们关心)。最近因为大量的报道，我才知道他名字的汉字是——舒朗雅子，surface模型的第一个开发者，2021年，他获得了诺奖。

2021年诺贝尔物理学奖得主之一的郭正博(Masahiro Kuo)。图/维基百科陆面模型在大气模拟中起着重要的作用。可用于计算地面如何与大气反应，如降水如何被林冠截留，土壤水如何成为地表径流以及地下水和水如何通过蒸发返回大气；还有太阳光是如何被地面或树叶吸收的，能量是如何被蒸发吸收的，地面温度上升或下降多少，太阳辐射又有多少回到大气中。

另一方面，Masakuro的地表模型涵盖了很大一部分物理反应，美国国家海洋和大气管理局(NOAA)地球物理流体动力学实验室的全球大气模型使用这一模型。

地球物理流体动力学实验室图表/地球物理流体动力学实验室然而，学术界是残酷的。在那个电脑比房子还贵的年代(1960年房价中位数约为11900美元，美国消费者新闻与商业频道报道)，真锅顺便拿了学术锅，比如：你的模型不够真实，你对土壤水分的估算不够物理.等等，因为计算机计算和理论发展还不够成熟，物理和计算方法还没有发展起来。

后面论文还会把真盆的表面模型称为水桶模型(因为它计算土壤水分的方法就像水桶一样，满了就拿掉，而不是靠土壤中的水流流走)。但不管怎么说，第一个surface模型基本上是真锅和他在普林斯顿的好朋友开发的。所以在后来的论文中，真锅的曲面模型也被尊称为第一代曲面模型，确立了祖先的称号(Sellers等人，1997)。

图/2021年诺贝尔物理学奖公告

水桶模型后，百家争鸣的地表模式大战

虽然第一代的地表模型以土壤为桶，地面也没有植物，更不用说光合作用或者碳排放来研究二氧化碳是如何毁掉我们的生活的，但这也给了后来的第二代地表模型一个起点。

1980年以后，随着个人电脑的逐渐普及，开始百家争鸣地表面模型，其中真锅只是在各种论文中被引用。后来，它出现在—— Pilps(陆面参数化方案相互比较项目)[2]。在这个项目中，出现了桶模型的标题。基本上，始于1995年的PILPS项目是利用荷兰Cabauw站测得的气象条件来验证第二代地表模型中谁最强。

荷兰Cabauw村。图/维基百科当然结果是没有人是最强的。

更重要的是，虽然表面模型比真盆模型要复杂一点，但是有一点是没人考虑到的：光合作用。

当时各家的蒸散公式主要考虑的是Jarvis的叶片气孔参数化公式[3]，所以没有真正考虑二氧化碳、水和太阳之间的直接关系。但是——Farquhar等人[4]的二氧化碳同化公式，也就是这个关联的主要公式，在1980年才正式发表，留给他的同事b。

erry 拿去演化成植物气孔跟光合作用的连动公式^[5]，还有七年。而在地表模型大战中发表的模型，其实都长得 87% 像。

在 1997 年时，NASA 的 Sellers等人^[6]，与多位同样是地表模式的作者与植物气孔模拟专家，在《Science》期刊中，登高一呼：我们要有能够计算生态跟複杂物理的模型！毕竟在 PILPS 的大战中，没有真正的胜者，也没有真正的输家，甚至我们的真锅大哥在水文计算上也没有输^[2]！

所以在 2003 年，集合了 PILPS 大战中和解的部份朋友们，第一支集众人之力诞生的通用地表模式（Common Land Model）上线了^[7]，这支从 1998 年开始写的程式，过了近五年后才发表，算是第三代地表模式的代表作。

而这个第三代中，植物终于开始有了它的意义，这植物的叶子终于可以随四季生长了，也会行光合作用了，土壤也增厚到两公尺多了，土壤也会依不饱和水流公式往下渗流，也可以计算堆雪了。其中最重要的，就是那光合作用公式的应用。

持续再精进与贡献

之后的地表模式，就一直着重在地面植物的改良，让植物越来越真，从一开始的没有植物，到会蒸发水，再到会跟二氧化碳互动，以及跟氮交互作用，计算植物的农作产出，一步步朝着更精细的方向前进。

当然地表模式也有很多需要改良的地方，首先是地表模型是假设地表跟大气是一维方向的互动，而土壤中水流也是只会向下渗流，如果要计算真正的水流，就必须要进行三维的地下水流动，这就是另外一个耗资源的计算。另外植物也不是真的植物，植物被假设只有四片叶子，还只有一层。

英国的「JULES」模型曾报告说他们做了个多层叶冠层的模型，最后只能淡淡的说因为计算资源耗太兇，所以没算完 ^[8]。更甚者，地底下的根是「死」的，一年四季，不生不灭、不垢不净，持续地在只有两公尺厚的土里，把水吸到植物中行光合作用(Pitman, 2003)^[9]。

所以无论如何，地表模型不仅不死，其势更烈，因为有太多的东西可以靠地表模式来计算，像是人类对地球表面的影响、化合物排放，也都可以靠地表模式计算其对大气的影响，就连地下水模型也都要拜託地表模式处理複杂的地表水文状况^[10]。

从 1969 年到 2021 年，无数的改良与改版，还有两次的超级地表模式大战（第二次利用 Rhône 流域量测结果^[11]），都增加了人们对大气系统的了解，并且一步步改善天气预报的準确度，而其中的功臣之一，当然是真锅博士在 1969 年，比 Unix 更早发表的地式模型，所以的确功不可没，而现在地球科学的众多估算中，地表模式解决了很多的水文与能量问题，更遑论对气候变迁的计算，才能在1975年提出二氧化碳加剧温度上升的研究^[12]。拿下诺贝尔奖，不仅仅是赞同真锅博士的功劳，更是对大气模拟界的慰劳吧。

内容来源网络，如有侵权，联系删除，本文地址：https://www.230890.com/zhan/188124.html