為紀念創刊125周年，《科學》雜誌於2005年7月提出了125個重要的科學問題，其中包含25個最突出的重點問題以及其他100個生命科學、物理學、數學等領域的難題。
現在，距離這125個重要科學問題的提出已經過去了15年，人類在科學研究的很多領域持續攻關。本報邀請專家學者就其中一些與氣象有關的科學問題展開論述，分析當前最新研究進展，展望未來研究路徑。
溫室效應會使地球溫度升多高?
中國氣象科學研究院研究員翟盤茂
溫室效應是指太陽短波輻射透過地球大氣射入地面，而地面增暖後放出的長波輻射又被大氣中的水汽、二氧化碳等物質所吸收，從而產生地球氣候變暖的效應。如果沒有大氣的溫室效應，地表平均溫度就會下降到-23℃，而實際地表平均溫度為15℃，這就是說溫室效應使地表平均溫度提高了38℃。
這種溫室效應，本來是一種自然現象，但由於人們在生產生活中利用化石能源以生成能量等方式產生了多種溫室氣體，這些溫室氣體的不斷增加引發了增強了的「溫室效應」，進而導致全球氣候變暖加劇。人類活動導致的大氣溫室氣體含量的升高，會決定地球升溫多少？這才是目前我們關注的問題。
大氣中二氧化碳排放量增加是造成地球氣候變暖的主要原因。氣候模型顯示，如果大氣中的二氧化碳含量比工業革命前增加一倍，地球溫度將升高1.5℃~4.5℃（即氣候敏感度）。2020年，世界氣候研究計劃署的25位科學家將其升溫範圍縮小到2.6℃~3.9℃之間。
政府間氣候變化專門委員會（IPCC）指出，人類活動已經造成了工業革命以來全球升溫約1.0℃，如果繼續以目前的速率升溫，全球升溫可能會在2030年至2052年達到1.5℃。全球平均氣溫正以前所未有的速度上升，全球變暖控制在1.5℃以下的可能性迅速變小，人類跨越氣候系統不可逆轉的臨界點的風險也在增加。
由於早期觀測資料嚴重不足，準確地評估工業革命開始時（1750年）的溫度比較困難。為了避免這一問題，IPCC第五次評估報告提出將1850-1900年平均溫度作為工業革命前的參考值，相對於這一參考值高出全球地表溫度的升溫幅度定義為全球溫升幅度。這裡的1.5℃增暖是人類活動引起的影響結果，不是某一年簡單的直接觀測到的結果。因為直接觀測的結果包含了人類活動和自然變率兩部分貢獻，某一年的觀測值受到氣候年際尺度上自然變率的影響較大。人類活動引起的未來的溫度的預估還需要通過數值模式模擬。
半個世紀以前，大氣原始方程組被用於建立數值模式，模擬了大氣運動及其演化，標誌著對氣候系統進行仿真試驗的開始。1979年，大氣環流模式與混合層海洋模式相耦合，模擬得到在大氣二氧化碳濃度加倍後全球平均溫度上升1.5℃-4.5℃的結論。之後的數值試驗採用了更加複雜的模式，比如考慮雲變化、給定海洋熱輸送、提高解析度等，但依然使用混合層海洋模式，得到的氣候敏感度仍在上述範圍之內。20世紀90年代末開始，使用完全耦合的大氣-海洋環流模式進行數值試驗。
21世紀，隨著科學技術的發展，第五次國際耦合模式比較計劃（CMIP5）的最新模式包含了大氣、海洋、陸面、海冰、氣溶膠、碳循環等多個子模塊，動態植被和大氣化學過程也被耦合其中，早期的大氣環流模式發展成了當下的氣候系統模式和地球系統模式。
世界氣候研究項目（WCRP）正在組織第六次氣候模式對比計劃（CMIP6)，從 CMIP5到CMIP6的地球系統模式，其核心是進一步減少地球系統模式的不確定性，提高模式模擬和預估的可靠性，即在多種時間和多種空間尺度的模擬和預估效果都要提高，著重提高地球系統各圈層的氣候態、氣候變率與趨勢、天氣與氣候現象和極端事件模擬效果，特別是在區域尺度方面。
無論是早期的大氣環流模式還是最新的地球系統模式，科學家們一直不斷探求能夠更加準確或者更加接近模擬計算真實的氣候系統模式，預估由於溫室氣體排放等人類活動引起全球升溫情況，並研究氣候變化影響和應對途徑等科學問題。
未來地球溫度升高情況取決於人類活動對氣候變化影響的控制力度，即是否能有效控制溫室氣體的排放，所以世界各國紛紛發出進入氣候緊急狀態的政治行動呼籲，同時加快產業、經濟社會綠色低碳轉型，控制溫室氣體排放、實現碳達峰、碳中和成為減緩全球變暖的必然選擇。
什麼時間用什麼能源可以替代石油？
國家發改委能源研究所研究員 姜克雋
從20世紀後期開始，石油成為全球的主要能源。到2018年，全球石油消費量44.96億噸標油，佔全球能源消費的31.5%，為佔比最大能源品種。石油消費主要用於交通、工業、居民消費等，其中交通佔比超過75%，石油化工佔16%以上。
未來能源轉型將主要由溫室氣體減排目標驅動。2015年，《巴黎協定》提出，到2100年將溫升控制在和1850年左右相比的2℃以下，爭取做到1.5℃。2019年12月份歐盟提出的2050年溫室氣體中和的目標，2020年9月中國宣布爭取2060年前實現碳中和的目標，加速了全球走向巴黎協定低於2℃和1.5℃溫升目標的進程。之後日本、韓國提出了2050年碳中和目標，美國很可能在明年提出2050年碳中和目標，加上之前已經提出該目標的加拿大、紐西蘭、南非等，使得佔全球近65%的國家在走向實現巴黎協定目標下的路徑上，而且這些國家佔據了零碳技術主導地位，可以展望，國際社會已經開始走向實現巴黎協定溫升目標的路上。
根據IPCC 第五次評估報告，以及IPCC1.5℃溫升特別報告，如果要實現2℃和1.5℃溫升目標，能源系統需要在2070年左右（2℃目標）、2050年左右（1.5℃）實現淨零排放。實現淨零排放的主要途徑是電力系統首先實現淨零排放，終端部門則大規模使用電力，在某些難以減排的部門使用二氧化碳捕獲和封存技術。
交通部門是實現淨零排放的最為首要的終端部門，也是技術進展最大的部門。在交通部門，實現淨零排放的途徑包括道路交通的電動化、氫動力化，以及生物燃油、船舶電動化和氫動力化，難以電力化的鐵路採用氫燃料電池驅動，飛機採用氫動力或者燃料電池以及生物燃料。
我們在2010年進行了我國幾項重大零碳技術的路線圖研究，包括電動汽車。根據該路線圖，電動汽車可以在2025年實現技術翻轉，性能超過燃油車，成本低於燃油車。加上政策推動，會出現汽車銷售市場的變革。將2020年三大車展的車型與市場上銷售的電動車進行對比分析，電動車的發展和路線圖的數據一致。可以展望，在全球走向實現《巴黎協定》目標路上，電動車的發展會很快，加上適當的政策，燃油車會逐漸退出。一些技術領先國家，在2040年到2050年間，汽車就會全面電動化。
氫燃料電池技術在道路交通中，將主要用於重型卡車。近期汽車用燃料電池技術在日本、歐洲、中國等國家發展迅速，成本明顯下降。技術人員預計，到2025年氫燃料電池汽車可以具有市場競爭性。各國能源供應格局不同，使用燃料電池的場景也會不同。由於本地零碳電力資源有限，而且核電發展受阻，日本和歐盟將依賴進口氫作為能源供應的主要部分，因而氫燃料電池技術需要廣泛用於各種場景中，包括小汽車、大巴等。而中國、美國等，零碳一次能源供應潛力巨大，直接使用電力會更有效率。
但是在難以使用電池驅動的場景，如大型船舶以及難以電氣化的火車、大型飛機，就需要使用氫燃料電池或者直接燃氫作為動力。目前大量資金已投入燃料電池研發中，未來十年燃料電池技術會進入市場化應用。根據歐盟和美國的研發計劃，氫動力飛機將在2035年投入商用。考慮到大型飛機的壽命期，如果2050年實現淨零排放的話，還有近一半的大型飛機需要使用生物航空煤油。
石油化工使用的石油，儘管在生產過程中有技術可以實現淨零排放，但是產品中的碳在產品廢棄處理時，還很有可能以二氧化碳的形式排放出來，因而歐盟的2050年溫室氣體中和戰略中，力推以綠氫為基礎的化工。根據我們的研究，如果零碳電力價格低於0.15元/千瓦時，利用綠氫製造合成氨、苯、乙醇、乙烯等就具有成本競爭性。而我國在河北、甘肅、寧夏、青海、新疆等地區，擁有成本低於0.15元/千瓦時的可利用光伏潛力超過61億千瓦，可以發電9萬億千瓦時，制氫2億噸以上，遠超需求的6000萬噸氫。
總體上可以判斷，在實現《巴黎協定》目標的能源轉型和經濟轉型路徑中，石油有可能在2050年被完全替代，替代的能源為零碳電力和氫。
地球磁場逆轉的原因是什麼？
中國科學院地質與地球物理研究所研究員 何飛 魏勇
地球之所以有欣欣向榮、繁衍不息的生命，得益於地磁場和大氣共同造就並維繫的宜居環境。科學家認為，地核內核、地殼和地幔層，都是固體的，而地核內核和地幔之間，包了一層液態的地核外核，而內核與地幔層之間運動步調不是一致的，這些流體的對流運動就產生了地磁場。
地磁場對地球來說是一把巨大的保護傘，可避免外來的高能帶電粒子入侵，減少大氣層中的帶電粒子逃逸。有研究表明，一旦這種保護作用減弱，大氣逃逸加劇，氧含量下降，就可能會導致生物大滅絕。而人們最為熟知的地磁場減弱的情況，正是地磁逆轉。地磁逆轉是指地球磁場方向發生變化，也就是北磁極和南磁極的對調，該過程伴隨著磁場強度先減弱後恢復。地磁場為什麼會逆轉？回答這一問題的本質實際上是要認識地球內部是如何運轉的，這對人類的生存和未來發展至關重要。
要思考這個問題的解決辦法，我們首先要回顧其起源，它涉及到地質學的一個分支——古地磁學。通過測量古代巖石磁化方向，科學家發現了具有全球等時性的反向磁化特徵，地磁場的極性確實曾經與當前情況相反。大量研究表明，地磁逆轉平均持續7000多年，逆轉期間地磁場強度降低了約90%。在過去的7500萬年中，地球磁場的方向至少逆轉過170次。
科學家普遍認為地磁倒轉時期液態外核的對流是紊亂的，流體的速度和方向發生了變化，因此可以說地磁倒轉是地球的「心跳紊亂」。理解這一問題的核心在於認識外核流體運動為什麼會改變，而且在時間上如此的不確定。對這些問題，現在還沒有公認的答案，未來需要多學科交叉深入理解地球內部多圈層耦合系統。為了回答這個問題，可能在以下幾個方面開展探索。
發展古地磁學新技術和新方法，完善地質歷史時期地磁場強度變化特徵。時至今日，古強度數據無論在時間還是空間上依然十分匱乏，主要由於古強度測量涉及的理論和實驗均比較複雜，樣品也不易獲取。因此解決實驗設備、技術和方法，更準確測定磁性巖石的強度和年代，豐富全球範圍內不同地質歷史時期的古強度特徵，有助於建立更完善的地磁場演化模型。
發展地球內部探測新技術，認識地球內部運轉規律。目前，認識地球內部結構的主要手段來自於地震學，利用地震波在地球內部傳播特徵的變化，反推地球內部結構，但這種手段很難揭示出地球深部的結構。由於人類幾乎不可能達到地球的內部，因此發展新的地球深部電磁探測方法是一條必由之路。
發展和完善地球動力學模型。地球內部是多圈層耦合的系統，發展數據驅動的地球動力學模擬，將揭示地球內部圈層結構及物質能量交換規律，並揭示內部異常在什麼時間和空間尺度上發生。
從比較行星學視角認識地球。在太陽系中，地球公轉軌道內外分別是金星和火星。科學界廣泛認為這三顆行星大致同期形成，早期狀態基本一致。但如今金星和火星都沒有地磁發電機，也就是沒有全球性的內稟磁場。它們的發電機是何時及何種原因停止運轉的，目前學界還沒有公認的答案。通過對火星和金星內部的探索，將幫助我們回答地球內部運轉的異常是如何發生的。
是什麼引發了冰期？
中國氣象科學研究院研究員 丁明虎
冰期，地球表面覆蓋有大規模冰川的地質時期，又稱為冰川時期。
地球在40多億年的歷史中，曾出現過多次顯著降溫變冷，從而形成冰期。特別是在前寒武紀晚期、石炭紀至二疊紀和新生代的冰期，都是持續時間很長的地質事件，通常稱為大冰期。大冰期的時間尺度至少數百萬年，而大冰期內又有多次大幅度的氣候冷暖交替和冰蓋規模的擴展或退縮時期，這種擴展和退縮時期即為冰期和間冰期。
地球歷史上最近一次冰期發生在第四紀，也就是人類所在的這一紀。研究顯示，第四紀是以冰期氣候為主導的地球環境新階段，同時，第四紀氣候變化表現為顯著的冰期-間冰期旋迴特徵。多年來，基於第四紀冰期的驅動和觸發機制，探索到底是什麼引發了冰期這一科學問題，科學家的研究未曾停止。
關於第四紀冰期的成因，科學界有幾種假說。一個是地球軌道參數配置使得北半球高緯接受太陽輻射量達到極小值，進而引發了冰期。另有一個說法是由於巴拿馬海峽關閉，促使向北太平洋的熱鹽環流加強，帶來更多的熱量，使北太平洋高緯地區水汽蒸散加強、降雪增多，冰雪的反饋作用使冰蓋/冰川大發展。也有科學家認為是冰川的負向自調節反饋作用。還有一種觀點認為，印度尼西亞及其周邊地區的島嶼生長、陸地面積增大，改變了沃克環流，增強了赤道太平洋和東西部的溫度差，出現像厄爾尼諾的大氣-海洋環流形勢，使北美-加拿大地區的冰雪積累加強，冰蓋增大，同時，赤道地區陸地面積增長加強了地表風化，吸收了更多的大氣中的二氧化碳，使地球更冷……
從上述假說可以看出，有多種因素對冰期發展有驅動作用，但科學家研究發現，沒有一種作用可以完美解釋冰期的成因。比如，關於厄爾尼諾大氣-海洋環流驅動冰期的假說，因為其難以量化，所以受到質疑。
假說的不完全成立，沒有阻止科學家對冰期的研究，並達成一定的共識，即高緯地區太陽輻射量低值與大氣二氧化碳含量、海陸分布、大洋環流以及地表巖石風化強度、植被分布的配置，觸發了第四紀冰期，地球軌道參數影響的太陽輻射量周期變化，可能是第四紀冰期-間冰期氣候旋迴的根本驅動因素。
然而，也有科學家認為，這些已有的發現大多是基於觀測到的現象提出的局部適用的可能機制，用於解釋全球範圍內的冰期成因仍有許多爭議，用於對未來的預測更顯乏力。科學家認為，獲得高精度、定量化的古氣候記錄，提高古氣候模式的解析度，可能是理解冰期氣候成因的前提，也是研究冰期觸發、傳遞、維持和恢復等四大動力過程的最重要手段。
驅動太陽磁周期的原因是什麼？
國家衛星氣象中心高級工程師 宋喬
如果問對人類來說最重要的天體是哪個？答案當然是我們的母親恆星——太陽。在遠古時期，蘇美爾、埃及、瑪雅等古文明都將太陽作為神來崇拜，在中國古代傳說中也有炎帝是太陽神化身和夸父追日等故事。
到了近代，人們又從科學的角度認識到太陽的影響有多麼深遠。地球上的日夜交替、季節輪轉分別是由地球自轉、繞日公轉形成的，是傾斜的地軸和太陽光共同譜寫的能量交響曲。來自太陽的能量觸發形成了地球上的風和降水，驅動著天氣和氣候，讓植物生長，為我們提供食物，還以太陽能發電、風電、水電等方式為人類活動提供能源。當你讀到這句話的時候，進入眼睛的光子就直接或者間接來自太陽的能量。
到了現代，科技的發展讓我們以新的視角探究太陽的威力。太陽的能量來自其內部的核聚變反應，以億年為單位持續穩定地發光發熱，其因此被稱為「恆星」。然而在太陽的外部，情況卻是瞬息萬變的，太陽大氣中的高溫等離子體翻騰旋轉、移動振蕩，仿佛在表演芭蕾舞一般，只不過這種等離子體之舞，有時會釋放出巨大的能量，對航空航天、通信導航、輸電網等造成威脅。
太陽大氣中的等離子體之舞，受到磁場這一無形之手的指揮。太陽磁場具有約22年的周期性變化（磁周期），磁周期導致太陽活動水平的變化，形成了約11年的太陽黑子數變化周期，被稱為太陽活動周。
在一個太陽活動周或更短的時間尺度內，太陽爆發活動所產生的X射線和極紫外等輻射、能量粒子以及磁化等離子體會對地球磁層和電離層造成擾動，產生或大或小的空間天氣影響。在更長的時間尺度上，太陽總輻照度和太陽活動周的強度變化等因素，則可能會對地球氣候產生影響。
目前氣候領域的熱點之一是全球變暖問題，如何準確歸因氣候變化中來自太陽等的自然因素和來自人類活動的人為驅動因素也成為了前沿課題。《科學》雜誌在創刊125周年時列出了125個科學問題，其中之一為：驅動太陽磁周期原因是什麼？
要想回答這一問題，需要恆星物理、太陽物理、日震學等學科方向的通力合作，也需要磁流體力學、數值計算等技術方法的密切配合。在此基礎上，人們終於建立起比較完整的太陽發電機理論，包括較差自轉、子午環流、差旋層等太陽內部動力學特徵，不僅可以解答太陽磁周期的起源，還可以從物理機制上預報太陽活動周的強度。
近年來，太陽表面磁通量輸運模型成為了理解太陽磁周期的有力工具。我國學者通過該模型研究發現少數特殊的太陽活動區會顯著影響太陽活動周的強度變化，也是導致第24太陽活動周成為百年來最弱太陽活動周的主要原因。目前太陽已經步入第25活動周，隨著太陽磁場起源和變化相關研究的深入，空間天氣預報和地球氣候等研究也將得到促進和發展。
（來源：《中國氣象報》2021年1月1日三版 責任編輯：王美麗）