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title: "真锅淑郎与 Wetherald 怎样算出大气会升温"
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last_modified: "2026-10-24"
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[天气天天变，气候怎样慢慢变](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/#climate)

热 · 偶然 · 集体行为

# 真锅淑郎与 Wetherald 怎样算出大气会升温

只算一根大气柱，怎样知道二氧化碳增加后地面会升温？

Sandbox Physics · 2026-10-24

诺奖贡献：2021-1

## 先问热量怎样离开地球

小火烧一锅水，起初水温不断上升。后来，锅向周围散去的热与炉火送来的热差不多，温度便不再明显增加。地球也有热量的收入与支出，只是它与太空交换能量，主要靠辐射。散热一旦变难，原来的温度就维持不住了。地球得先暖一些，才能重新把收入的能量送出去。

1967 年，真锅淑郎与 Richard Wetherald 想弄清：大气中的二氧化碳增加，会怎样改变这个平衡？他们在美国地球物理流体动力学实验室，把注意力放在一根从地面通向高空的大气柱上。先不追每一场风雨，集中算清辐射、空气上升和水汽如何共同决定温度。

来源：[1] [2]

## 空气也会把热往上搬

地面吸收阳光，再发出红外辐射。大气中的气体会吸收红外，也会向各个方向发射红外。有些辐射直接穿出去，有些得经过多次吸收与再发射，才从更高处离开。二氧化碳增加后，在受它影响的许多红外波段，向太空发射辐射的有效高度会升高。在天气活动集中的对流层，通常越高越冷，较冷的地方发出的能量更少，于是整根大气柱需要重新调整温度。

只算辐射还不够。假如低处太暖、高处太冷，下面的空气就容易浮上去，顺手把热带走。他们用“对流调整”来表达这种搬运：一旦温度随高度降低得太快，就重新分配热量，让温度梯度回到设定范围。这样得到的大气，既能吸收和发射辐射，也能靠空气运动传热。

来源：[1] [3]

## 水汽会跟着温度变

水汽让问题又往前走了一步。空气变暖后，到达饱和所需的水汽会增加。他们给定各高度的相对湿度，也就是现有水汽占饱和值的比例。温度升高而这个比例保持不变，空气中的水汽便会增加。水汽同样能吸收红外，进一步加强最初的升温。升温引出水汽增加，水汽又反过来加强升温，这样的作用叫反馈。

可以想一间潮湿的屋子。如果只开暖气，不加水，屋里的相对湿度会下降；如果坚持让相对湿度不变，就得往空气里补水。这是两种不同的条件。读到论文里“湿度固定”时，得看清固定的是比例，还是水汽的实际含量。真锅与 Wetherald 特别研究了两者带来的差别。

来源：[1] [3]

## 算出的变化约为两摄氏度

论文摘要给出的结果是：在规定的相对湿度条件下，二氧化碳加倍，大气会升温约两摄氏度。这个数值属于那套具体的计算，云、地表性质和湿度随高度的分布都有指定条件。它把一个可以含混争论的问题，变成了能够重复比较的计算：只改气体含量，重新求平衡，看看温度怎样变。

模型还给出了更有辨识力的结果：下面的大气变暖，上面的平流层却会冷却。不同高度吸收、发射和交换热量的方式不同，温度无需一起同升同降。沿高度看温度变化，比只看地面上的一个数字，能多知道一层物理。

来源：[1] [2]

## 从一根柱子走向更大的模型

后来，真锅与合作者继续发展三维大气模型，以及大气与海洋相连的模型。风、降水、冰雪和海洋搬运的热，都能在更丰富的体系里共同变化。一维大气柱仍有用，因为它把最核心的问题留得很清楚：辐射和向上传热需要同时满足时，温度该怎样调整？

2021 年，真锅与 Klaus Hasselmann 因气候建模、气候变化与全球变暖预测方面的贡献共同获奖。回到 1967 年那篇论文，Wetherald 也是不可略去的作者。他们沿着能量在大气中的转移和最后通向太空的去路，算出了升温。后来模型越来越复杂，这条追踪能量的思路一直留在其中。

来源：[3] [4]

接着探索物理

## 动手试相关模型

### [看升温怎样被海洋拖慢](https://sandboxphysics.com/zh/labs/climate-energy-balance/)

比较更强的散热恢复与更强的深海换热。

这个双层教学模型用合成参数计算全球温度偏差与热交换。

## 来源与阅读说明

1. [Manabe and Wetherald (1967), Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of Relative Humidity](https://journals.ametsoc.org/abstract/journals/atsc/24/3/1520-0469_1967_024_0241_teotaw_2_0_co_2.xml)

   先看湿度假设，再读二氧化碳加倍的比较。摘要把结果写成约两摄氏度；计算对象是规定条件下的一维大气柱。

2. [NASA (2017), A Climate Model for the History Books](https://science.nasa.gov/blogs/earth-matters/2017/04/05/a-climate-model-for-the-history-books/)

   NASA 回顾 1967 年模型、垂直温度响应与后来的大气海洋研究，注意把原始计算与后续模型分开。

3. [Syukuro Manabe (2021), Nobel Lecture, Physical modelling of Earth’s climate](https://www.nobelprize.org/uploads/2021/11/manabe-lecture.pdf)

   沿作者的回顾，从辐射对流平衡读到三维和耦合模型，留意水汽在各步中的作用。

4. [Royal Swedish Academy of Sciences (2021), Physics prize announcement](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2021/press-release/)

   官方公告把真锅、Hasselmann 的气候贡献与 Parisi 的无序贡献分开。

[热、偶然与集体行为](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/) [Hasselmann 发现海洋会记住天气](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/hasselmann-weather-climate/)