Carl-Gustaf Rossby: Part 8.1 - 當前氣象學面臨的問題：輻射收支、二氧化碳和碳循環、水循環

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瑞典裔美籍氣象學家Carl-Gustaf Rossby (1898-1957)，是現代氣象學中最具有影響力的人物。他1926年從瑞典到美國工作，待過美國氣象局、麻省理工學院、 芝加哥大學等單位。1947年，Rossby回到故鄉瑞典的斯德哥爾摩大學擔任教授，推動瑞典的氣象學的研究和應用進展，並開啟許多國際交流合作。


Rossby主要的研究貢獻在大氣動力學領域，他也對航空氣象、數值天氣預報、大氣化學、雲物理、地球系統科學等也有很重要的貢獻。他指導的學生在大氣科學領域有非常傑出的成就，對Rossby故事有興趣的話，可以參考我之前寫的文章：https://yihsuanchen-journey.blogspot.com/search/label/Carl-Gustaf%20Rossby：


Carl-Gustaf Rossby: Part 0 - Rossby’s mentorship

Carl-Gustaf Rossby: Part 1 - 簡介

Carl-Gustaf Rossby: Part 2 - 少年時代

Carl-Gustaf Rossby: Part 3 - 美國氣象局 & 建立航空氣象地面觀測網

Carl-Gustaf Rossby: Part 4 - MIT時期

Carl-Gustaf Rossby: Part 5 - 二戰期間

Carl-Gustaf Rossby: Part 6.1 - 芝加哥大學氣象研究所的成立

Carl-Gustaf Rossby: Part 6.2 - 芝加哥的學生

Carl-Gustaf Rossby: Part 7.1 - 重返瑞典 

Carl-Gustaf Rossby: Part 7.2 - 瑞典的學生 


1957年7月，幾位Rossby的友人規劃出一本學術特別專輯，來慶祝Rossby的六十歲大壽，並向Rossby以前的學生和同事邀稿。不幸的是，一個月後的8月19日，Rossby因心臟病發驟逝，享年58歲，震驚整個科學界。突如其來的噩耗改變了那本學術特別專輯的目的，但並未改變其初衷，即見證Rossby在大氣科學的學術發展、教學、和國際科學合作上的重要貢獻與領導角色。


Rossby的紀念專輯於1959年出版，標題為：


THE ATMOSPHERE AND THE SEA IN MOTION

SCIENTIFIC CONTRIBUTIONS TO THE ROSSBY MEMORIAL VOLUME


分成五個章節，共36篇文章


  1. THE SEA IN MOTION

  2. DISTRIBUTION OF MATTER IN THE SEA AND ATMOSPHERE

  3. THE GENERAL CIRCULATION OF THE ATMOSPHERE

  4. CHARACTERISTIC FEATURES OF ATMOSPHERIC MOTION

  5. WEATHER FORECASTING


專輯的主編是Bert Bolin，由Rockefeller University Press出版，網路上可找到全文：https://books.rupress.org/sites/books.rupress.org/files/ebooks/9780874700336_WEB.pdf。













Rossby紀念專輯的第一篇文章，是Rossby過世前幾個月在瑞典國家科學研究委員會 1956 年年鑑發發表的文章：Aktuella Meteorologiska Problem (瑞典文，中譯為「當前氣象學面臨的問題」)。這篇文章是為非專業人士所撰寫，深入評估了氣象學中的許多主要問題，並展現了他的廣闊視野。這篇文章後由瑞典國際氣象中心的職員譯成英文，標題為Current Problems in Meteorology，作為紀念專輯的第一篇文章。


Rossby的這篇文章，從現在來看仍是極具意義和遠見。文章分成以下章節：


  • Introduction

  • Planetary problems of balance and circulation

    • A. Radiation balance and heat storage

    • B. Carbon dioxide and its cycle

    • C. Tritium and the hydrologic cycle

  • The general circulation of the atmosphere

  • Weather forecasts

  • Distribution of matter in the atmosphere

    • A. Air trajectories

    • B. Distribution and circulation of maritime salts

    • C. The circulation of sulphur and ammonia

    • D. The exchange of matter at the sea surface

  • Attempts to control atmospheric processes


系列文Part 8，來筆記Rossby這篇文章，由於篇幅太長拆成幾個部分。Part 8.1來講 ”Introduction” 和 ”Planetary problems of balance and circulation” 這兩章，外加我自己做的一些補充。看到Rossby當時提出的一些議題，經過後來科學家的努力不懈，有了充足的進展，科學發展的過程真的十分了不起。

▋Introduction


在前言，Rossby說這篇文章將回顧幾個問題：


  1. 大氣運動和現象背後的物理、數學、化學原理，以及如何依據這些原理來做預測，即數值天氣預報。這是氣象學的經典問題，換句話說，未來的某一時刻某一地點的風向、風速、氣壓等大氣狀態為何？("What will the wind direction, wind speed, pressure etc. be at a given place at a given instant in the future?") 

  2. 大氣如何傳送不可溶的礦物、可溶的凝結核、還有工業污染物？換句話說，一個空氣塊未來某一時刻會在何處？(Where will a given air particle be at a given instant in the future?")。傳統氣象學對這個問題的興趣有限，部分原因是這些物質對大氣環流的影響有限。但Rossby認為，這個問題能更幫助我們了解空氣的運動軌跡，進而更了解大氣環流。此外，預報這些物質如何被大氣傳送，會是氣象學很重要的應用。

  3. 大氣在某些地質過程還有地表生物過程中扮演怎樣的角色？Rossby認為地球是一個系統，大氣、海洋、水文、地球化學等有很密切的交互作用。未來的地球物理研究需要考慮這些交互作用，同樣的，在培育未來的地球物理學家時，也需要了解這些交互作用。


▋Planetary problems of balance and circulation


A. Radiation balance and heat storage


大氣和海洋的運動是由輻射能量驅動，Rossby簡單總結了自1920年代開始，G. C. SIMPSON、W. ELSASSER、H. G. HOUGHTON、F. BAUER、和H. PHILLIPS在輻射傳遞和地球輻射能量收支的工作，他認為那是極為有趣的研究工作。


氣象學教科書一般假設地球是在輻射平衡狀態，意思是地球從太陽吸收的輻射能量等於地球自身釋放的輻射能量。但Rossby認為不能全盤接受這個假設，輻射平衡狀態受所考慮的時間尺度影響，即使是數十年的時間尺度下，地球也不一定處於輻射平衡狀態。假如地球的能量收支不平衡，地球可能把多餘的能量儲存在海洋，經過一段時間後，海洋可能會把這些能量傳回給大氣。


“a) The assumption that our planet as a whole stands in firm radiation balance with outer space cannot be accepted without reservations, even if periods of several decades are taken into account.


b) Anomalies in heat probably can be stored and temporarily isolated in the sea and after periods of the order of a few decades to a few centuries again influence the heat and water-vapour exchange with the atmosphere.” (p13-14)


Rossby認為，氣象學家和海洋學家需要更精確地知道地球的能量收支，而即將到來的國際地球物理年 (International Geophysical Year, 1957-58) 將用衛星來量測地球的輻射能量，會是很重要的觀測資料。


即使到現在 (2024年)，地球的輻射能量收支，以及有多少能量被地球儲存起來，仍是非常熱門且重要的研究課題。經過數十年來科學家的努力以及觀測技術如衛星的發展，我們已經比Rossby更精確知道地球的能量收支狀態 (如Wild et al. 2012, doi: 10.1007/s00382-012-1569-8)。我們也知道地球不是處在完美的輻射平衡狀態，根據von Schuckmann et al. (2023, doi.org/10.5194/essd-15-1675-2023) 的估算，地球能量不平衡 (Earth Energy Imbalance, EEI) 在1971-2020年期間為0.48±0.1 W m−2，在2006–2020年期間增加到0.76±0.2 W m−2，這些多出來的能量有9成被儲存在海洋。


Wild et al. (2012, https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-012-1569-8)


von Schuckmann et al. (2023, doi.org/10.5194/essd-15-1675-2023)



B. Carbon dioxide and its cycle


從1900年代開始，S. ARRHENIUS、G. N. PLASS、G. S. CALLENDAR等就指出人類燃燒化石燃料釋放的二氧化碳，可能會讓全球溫度上升。Rossby覺得研究二氧化碳增加對大氣和海洋造成的影響，例如二氧化碳增加對地表溫度改變或是深海吸收二氧化碳的速率，是極為有趣且重要的問題。他認為人類正在做一個獨一無二的行星尺度實驗 (“...mankind now is performing a unique experiment of impressive planetary dimensions”; p14)。


Rossby認為大氣和海洋中的二氧化碳濃度在上升，但不知道具體上升多少。由於當時的二氧化碳觀測資料極少，歐洲中部有幾個零星站點，Rossby和同事在瑞典、挪威、丹麥、芬蘭等地設立了15個觀測站，每個月做三次二氧化碳濃度的量測，目前得到兩年的量測資料。他們發現二氧化碳濃度的變動極受綜觀天氣的影響，光靠這些零星站點無法提供全球大氣二氧化碳濃度的可靠資料 (p15)。




即將到來的國際地球物理年 (International Geophysical Year, 1957-58)，預計會擴張北歐現有的二氧化碳觀測站點，還會在北美、南美、北極、南極、太平洋和大西洋的小島、北美和南美山區等地方量測二氧化碳濃度，會是很重要的觀測資料 (p15)。


除此之外，Rossby認為應該在世界上一些遠離人為活動和植被密集區域，還要是天氣系統較不活躍的地區，定期進行近地表的大氣二氧化碳量測分析。必須透過長期的監測，才能知道大氣二氧化碳到底增加多少。此外，還需思考以下幾個問題 (p15)：

  • 應該如何以最佳方式進行大氣中二氧化碳總含量的測量？

  • 應該如何進行測量或估算，才能增加對海面二氧化碳交換的認識？

  • 表層與深海之間的二氧化碳交換速度有多快？

Rossby也提議使用碳14定年方法，來了解地表和大氣的二氧化碳交換。一個例子是使用H. SUESS在1953年提出的方法，去分析樹木年輪的碳14，看這些碳是從當前的自然環境來，還是從古老的化石燃料來 (p15-16)。


在Rossby過世後一年 (1958年)，美國大氣海洋總署 (NOAA) 在夏威夷的Mauna Loa設立二氧化碳觀測站，進行觀測直到現在。Mauna Loa位置偏遠、植被和人類活動影響極小，而且位於該地區的強烈海洋逆溫層之上，逆溫層將大氣中污染較嚴重的邊界層大氣與自由大氣分開，非常適合監測大氣中可能導致氣候變遷的成分。Mauna Loa的選址原因基本上完全符合Rossby的看法。


在Mauna Loa所量測的大氣二氧化碳濃度的的時間序列圖，可以清楚看到大氣中二氧化碳濃度持續上升，從1960年的約320ppm上升到現在 (2024年) 的約430ppm。這個時序圖也被稱為Keeling Curve，來紀念開啟實施監測計劃的科學家Charles David Keeling。

The Keeling Curve (https://keelingcurve.ucsd.edu/)


除了在地面量測二氧化碳以外，科學家也從太空來量測大氣中的二氧化碳，例如日本的GOSAT衛星 (2009年發射)、美國的OCO-2衛星 (2014年發射) 以及放在國際太空站OCO-3觀測儀器 (2019年啟用)、中國的TanSat衛星 (2016年發射) 等。






C. Tritium and the hydrologic cycle


地球上有97%的水在海洋，這些水蒸發後跑到大氣、凝結成雲、然後形成降水。降水到達地面後可形成湖泊、河流、冰川等，滲入土壤會變成地下水，或是透過蒸散作用回到大氣。有些地表的水透過徑流回到海洋，然後再次蒸發，重複這個過程，稱為水循環或水文循環 (water cycle or hydrological cycle)。更多細節可參考綠色和平的報導：水循環是什麼？氣候變遷如何導致水循環失衡？臺灣糧食也受影響？，或網站Energy Education - Hydrological cycle。


水循環研究主要探討水的儲存 (storage) 和移動 (movement)。儲存指的是水在不同系統如大氣、海洋、地表等待了多久時間，也稱為水分停留時間 (residence time)，移動指的是水在不同系統之間的移動速率和量值，如蒸發量、降水量、逕流量等。


水循環的研究最早可能在西元前3000年的古埃及時代就開始，18世紀時開始用科學方法來研究水循環，直到20世紀中對水循環的了解還是有限。1950年代試爆氫彈，人為排放許多氚 (tritium, H3) 到大氣，氚的半衰期約12.5年，可用來研究水循環。Rossby引用W. F. LIBBY的工作，他們用氚估計水分在大氣的停留時間、密西西比河河谷的降水從海洋水氣和本地蒸散作用的相對貢獻量等。


Rossby覺得用氚或其他物質來研究地球的各種循環過程很有潛力，但需要氣象學家、水文學家、地球化學家等攜手合作，也需要有系統的、長期監測這些物質的量測設備。


現在，人為氣候變遷如何影響水循環，然後對洪水、乾旱、人類用水有什麼影響，是極為重要且熱門的研究議題 (延伸閱讀：UCAR - The Water Cycle and Climate Change)。





https://energyeducation.ca/encyclopedia/Hydrologic_cycle



Source: Gimeno et al. (2012, doi.org/10.1029/2012RG000389). "The hydrological cycle. Estimates of the observed main water reservoirs (black numbers, in 103 km3) and the flow of moisture through the system (red numbers, in 103 km3 yr−1). Adjusted from Trenberth et al. [2007a] for the period 2002–2008 as in Trenberth et al. [2011]."


(待續)