氣候，我“寰”你前世今生未來！丨地球模擬實驗室_風聞

編者按：地球系統數值模擬裝置——“寰”，是國家“十二五”重大科技基礎設施項目，它是面向地球科學的高性能模擬裝置。中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設的“地球模擬實驗室”專欄，將為大家介紹這一裝置的強大功能，及其在應對氣候問題，解決環境問題中所扮演的重要角色。

人類很早就想預知天氣和氣候。遠在三千年前，我國殷代甲骨文中就記載着殷人預測的未來十天天氣的記錄，這種活動稱為“卜旬”。隨後歷代勞動人民在生存鬥爭中，也瞭解到了不少天氣變化的規律，例如《詩經》中有“上天同雲，雨雪雰雰”，《相雨書》中有“雲若雨鱗，次日風最大”……

古代人類不僅重視天氣，也很重視氣候。從秦漢後，關於特殊的氣候，如大旱、大水、大寒等記錄不但在增加，記錄的範圍也在逐步擴大。而在此期間，二十四節氣的確定，桃李花開，候鳥往來的觀察也凸顯了人類對氣候預測需求的迫切。

雖然古人對於天氣、氣候的記錄和規律掌握了不少，但是卻無法定量對天氣和氣候做出預測，這個遺憾一直存在。直到20世紀初，理查德森（Lewis Fry Richardson）首次嘗試“手工數值天氣預報”。他花了6周的時間，提出了“天氣預報工廠”的設想，通過光信號來指揮64000名專業算手用手工計算來預報西歐地區未來6小時的天氣，這就是最早人們利用“人動超級計算機”計算數值天氣預報的雛形。

“天氣預報工廠”示意圖（圖片來源參考文獻3）

中國的數值天氣預報在建國後得到了快速的發展。在一大批優秀的氣象學家的努力下，1955年用圖解法兩層模式作出了500 hPa (5500km左右) 24小時的預報，1959年用電子計算機製作出了亞歐地區和北半球地區的高度場預報，1973年開始用原始方程模式製作預報……

隨着科學技術的進步，數值模擬的發展已今非昔比，模式系統已經由單一的大氣模式，逐步實現了包括海洋，陸地，海冰，植被等多圈層分量模式的耦合，模式的分辨率也由早期的數百公里，提高到如今的數十公里。而分辨率提高，其計算量將會呈指數型增長，若沒有超級計算機的幫助，根本無法在有限的時間內完成如此龐大的計算。同時，將大氣圈與水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈緊密結合，考慮其相互作用，對於提升氣候預報、預測效果、更深入地認識整個地球系統具有重要的意義。

以前，中國並沒有專用於地球系統數值模擬的軟硬件一體裝置。現如今，中國科學院大氣物理研究所牽頭建設了具有中國自主知識產權，軟硬件協同設計研發的地球系統數值模擬裝置——寰（EarthLab），來了！

“寰”的軟件系統包括地球系統模式數值模擬系統、區域高精度環境模擬系統、超級模擬支撐與管理系統和支撐數據庫和資料同化及可視化系統，可實現全球高分辨率（大氣25公里，海洋10公里）數值模擬、全國1-3公里區域高精度環境模擬，並提供海量的地球科學數據和先進的同化及可視化系統為地球模擬提供科研支撐；硬件系統包括超級計算機硬件系統——硅立方，提供峯值速度不低於15PFlops（1.5億億次/秒）的計算速度，相當於15億人用計算器算115天；還提供了80PB（1PB=1024TB）的存儲空間，可以存放海量數據。

軟硬件協同設計賦予了“寰”強大的解讀地球的能力，簡單來説，寰就是一個可以快速解出表徵地球系統複雜方程組的一個裝置，有了她，更快捷更可靠地預知未來天氣和氣候變化不再是夢想！

要研究氣候，那就讓我“寰”你的前世今生和未來吧！

前世——古氣候模擬

過去的氣候不是一成不變的，古氣候代用資料（如黃土、珊瑚、樹輪等）記錄過去千百萬年的氣候變化事件。那麼應該如何理解過去氣候變化的機理，又該如何通過古氣候研究對我們預估未來氣候提供幫助呢？

數值模擬為古氣候研究提供了一個重要手段！

模擬古氣候，需要考慮地球在長達百萬到千萬年時間尺度的演變過程中各圈層紛繁複雜的相互作用，其氣候驅動因子包括太陽軌道參數變化、大氣二氧化碳濃度變化、全球冰量變化、大洋通道的開閉、高原抬升等等。通常，氣候系統模式只包含海陸氣冰這些圈層的耦合，並未充分考慮諸如動態植被、海洋生物化學、沙塵等物理過程。

然而在古氣候模擬中，植被-氣候相互作用是研究的熱點和難點之一！

植被覆蓋率及其動態演變過程是陸地影響氣候的核心問題。將間接導致氣温、降水甚至大氣環流發生變化。

但這難不倒我們的“寰”，“寰”的地球系統模式數值模擬系統直接耦合了“植被動力學模式分系統”。陸地植被生態的生長和凋零、時空的遷移、種類的改變都能盡在掌握。

過去6500萬年地球氣候變化，科學家們構建了過去6500萬年甚至更長時間地球氣候變化的框架，這些古氣候資料對於檢驗氣候模式和預測未來氣候變化具有極大的價值。（圖片來源參考文獻10）

除此之外，“寰”還耦合了“海洋生化模式”、“陸地生物地球化學模式”等分系統，包含了各圈層的物理、化學和生物過程及其相互作用的“寰”能夠為古氣候模擬提供了重要的科學工具，為科學家們進一步探尋古氣候的奧秘提供了便利。

今生——工業革命後的全球變暖

1850年工業革命以後，全球温度整體呈現上升趨勢。HadCRUT4觀測資料的分析結果顯示2010-2019年相比於工業革命剛開始階段（1850-1900年），全球平均表面温度升高了1.1℃。

1850-2019年全球表面温度觀測與模擬的比較，黑線為觀測結果，黃線為考慮了人為因素（氣溶膠、温室氣體）和自然因素的結果，二者最為接近。（Gillett, Nature Climate Change, 2021）

人類活動所造成的大量碳的排放是全球變暖的重要因素之一。當前國際上的多數模式都能夠在給定CO2濃度的前提下，模擬出全球温度的上升趨勢。但隨着温度的升高，陸地和海洋的固碳能力將發生變化，大氣中CO2的濃度也會隨之變化。上述温度和CO2之間的相互作用過程在大多數模式中是缺失的，“寰”中的地球系統模式能夠模擬CO2濃度的全球分佈，考慮了温度和CO2之間的相互作用過程，可提高模式對氣候變化預估的可靠性。

人類除了向大氣排放大量的CO2，同時也向大氣排放了許多看不見摸不着的小東西，即氣溶膠。

別看單個氣溶膠小小的不成氣候，但成片的氣溶膠的確能成“氣候”。

氣溶膠可以參與雲的形成，改變雲的生命期和改變雲反射太陽輻射的能力，從而影響氣候。聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）報告指出，在氣候變化的驅動因子中，氣溶膠-雲的作用是不確定性最大的那一個。

同樣，這也難不倒我們的“寰”，“寰”的地球系統模式數值模擬系統中有一個叫做“氣溶膠和大氣化學過程模式”的分系統，該分系統耦合了一些國內特色的物理化學參數化方案（如海鹽、沙塵過程等），實現了與大氣環流模式的一個雙向配合，新建瞭如人為排放源模塊、沙塵模塊等14個模塊。有了這個分系統，相信“寰”對氣溶膠氣候效應的模擬能力的提升指日可待，這將提升我們預估全球温度變化，理解氣候變化機理的能力。

未來——碳中和、氣候預估和防災減災

全球變暖正在深刻影響着地球的未來。2020年9月，中國向國際社會鄭重承諾爭取2060年前實現“碳中和”。面對碳中和國家低碳發展的需求，可靠的、精細的區域氣候變化信息，對於各級政府應對碳中和背景下的氣候變化至關重要。

碳中和也是一個複雜的科學問題，涉及到了大氣、海洋、陸地、生態環境等多個領域的交叉。“寰”將致力於多圈層碳氮循環機制的研究，為建成國際領先的碳源匯精準評估方法體系和技術提供支撐平台。

同時，氣候變化帶來的極端氣候事件是目前各個國家面臨的巨大挑戰之一。氣候變暖使得氣候系統的不穩定性加劇，極端的天氣事件就變得“一觸即發”！

氣候臨界點是全球或區域氣候從一種穩定狀態到另外一種穩定狀態的關鍵門檻，一旦臨界點被激活，系統將無法回至原來的穩定狀態。2019年氣候學家斯特芬中在 Nature 上表示在全球變暖背景下，全球15個“氣候臨界點”已被激活9個。氣候變化帶來了極端氣候事件的嚴峻性，也帶來了預測未來氣候的迫切性。（圖片來源參考文獻11）

ENSO事件是年際尺度上氣候變化的最強信號，影響着中國的降水、氣温以及颱風活動。全球變暖以後，大的氣候背景發生了變化，導致了80年代以後El Nino事件比80年代以前的El Nino事件更強。ENSO的這一系列變化將帶來降水的異常，給國民經濟帶來巨大的損失。如1998年長江特大洪水，2015/2016年洪澇，特別是2015年台風災害嚴重，如第9號颱風“燦鴻”為1949年以來7月份登陸浙閩地區的最強颱風。

目前，“寰”能提前9個月預測ENSO，預報能力領先於國際水平。同時，“寰”具有水平尺度在25公里左右的高分辨率全球尺度地球系統模式，相比低分辨率模式，能夠提高對台風的氣候預測水平。

“寰”將致力於短期氣候預測問題，提高對氣候災害預測水平，為保障人民生活、財產、人身安全提供科學的力量。

具有我國自主知識產權，軟硬件指標相適應的“地球系統數值模擬裝置”，是認知地球系統科學的國之重器，更是認知氣候前世今生未來的利器。

解讀氣候的過去、觀察氣候的現在、預估氣候的未來，或許這就是“寰”帶給氣候最浪漫的禮物。

知識窗

氣溶膠：氣溶膠指的是懸浮在大氣中的固體或液體粒子。

古氣候代用資料：生物有機體(如樹木、珊瑚、浮游生物)，冰芯、石筍等，在過去的生長過程中很好地記錄了一些氣候引發的變化，藉助這些資料，能提取古氣候的信息。

參考文獻：

1. 王鵬飛. 中國古代氣象上的主要成就[J]. 大氣科學學報, 1978(1):141-151.

2. 竺可楨. 大家小書·天道與人文[M]. 北京:北京出版社, 2011.

3. https://mp.weixin.qq.com/s/_VZd_ROH6WNVHtrRBfxpgQ?

4. 鄭偉鵬, 滿文敏, 孫詠, 等. 第四次國際古氣候模擬比較計劃（PMIP4）概況與評述[J]. 氣候變化研究進展, 2019, 15 (5): 510-518

5. 王紹武, 羅勇, 趙宗慈, 等. 古氣候模擬Palaeo-ClimateModeling[J]. 氣候變化研究進展, 2013, 9(4):305-308.

6. Met Office. The recent pause in global warming (2): what are the potential causes? [R]. Devon: Met Office, 2013:1-22.

7. Gillett N P, Kirchmeier-Young M, Ribes A, et al. Constraining human contributions to observed warming since the pre-industrial period[J]. Nature Climate Change, 2021:1-6

8. 許武成,馬勁松,王文.關於ENSO事件及其對中國氣候影響研究的綜述[J]. 氣象科學, 2005(02):212-220.

9. Wang C, Deser C, Yu J Y, et al. El Nino and Southern Oscillation (ENSO): A Review[M]. Springer Netherlands, 2017.

10. https://mp.weixin.qq.com/s/vKLUGZXgzAAd5SESg7Jl-A

11. https://mp.weixin.qq.com/s/Wius1DePOYgMUW12nZye0Q

來源：中國科學院大氣物理研究所