2021-06-07
編者按：地球系統數值模拟裝置——“寰”，是國廠線家“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拟裝置。中(z嗎視hōng)科院之聲與中(zhōng)國科學院大氣物理研究所聯合開設的哥校“地球模拟實驗室”專欄，将為大家介紹這一裝置的強大也行功能，及其在應對氣候問(wèn)題，解決環境問(wèn)題鄉水中(zhōng)所扮演的重要角色。
人類很早就想預知天氣和(hé)氣候。遠(yu校雪ǎn)在三千年前，我國殷代甲骨文(wén)中(zhōng)就記載着章腦殷人預測的未來十天天氣的記錄，這種活動(dòng)稱為“蔔旬”。随後曆代看話勞動(dòng)人民在生存鬥争中(zhōng分房)，也了解到了不少(shǎo)天氣變化的規律，例如(rú)《詩經》中(z的的hōng)有“上天同雲，雨雪(xuě)雰雰”，《相雨書》中(zhōng)有“微器雲若雨鱗，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(guān)于特殊的氣候，票分如(rú)大旱、大水、大寒等記錄不但在增志兒加，記錄的範圍也在逐步擴大。而在此期間，二十四節氣的确定，桃笑影李花(huā)開，候鳥往來的觀察也凸顯了人類對氣候預測需求的迫切。
雖然古人對于天氣、氣候的記錄和(hé)規律掌握了不少(shǎo)，但是卻無法定拍志量對天氣和(hé)氣候做出預測，這個(gè)遺憾聽多一直存在。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(huā)了6周的時間，提出了“天氣預報工廠”的設想，通(tō車筆ng)過光信号來指揮64000名專業(yè)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(dòng)公熱超級計算機”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(wén)獻3）
中(zhōng)國的數值天氣預報在建國後得到了快速的發展。在一大舞不批優秀的氣象學家的努力下(xià)，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(zǐ)計算機制作出了亞歐地區和(hé)北半球地區的高月店度場預報，1973年開始用原始方程模式制作預報……
随着科學技術(shù)的進步，數值模拟的發展已今非昔比，模式系統麗長已經由單一的大氣模式，逐步實現了包括海洋，拍音陸地，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裡，提高東黃到如(rú)今的數十公裡。而分辨率提高，其計算量将會呈指數型增長，冷子若沒有超級計算機的幫助，根本無法在有限的時間内完成如林刀(rú)此龐大的計算。同時，将大氣圈與水圈、冰雪(xuě)圈、岩石購高圈和(hé)生物圈緊密結合，考慮其相互作用，對于提升氣候預報很還、預測效果、更深入地認識整個(gè)地球理醫系統具有重要的意義。
以前，中(zhōng)國并沒有專用于地球系統數值模拟的軟硬件一體裝置。見行現如(rú)今，中(zhōng)國科學院大氣物理研究所身報牽頭建設了具有中(zhōng)國自主知識産權，軟硬件協同設計研發的地友站球系統數值模拟裝置——寰（EarthLab），來了！
“寰”的軟件系統包括地球系統模式數值模拟系統、區域高精度環境模拟系統、超花近級模拟支撐與管理系統和(hé)支撐數據庫和自西(hé)資(zī)料同化及可(kě)視化系統，可(k內員ě)實現全球高分辨率（大氣25公裡，海洋10公裡）數值模拟、全國1-3公裡區域高精度環境模拟，并提供海量的地球科學數據和(hé)先進的同化及可(亮愛kě)視化系統為地球模拟提供科研支撐；硬件系統包括超級計算機硬件系統——矽立內動方，提供峰值速度不低于15PFlops（1.5億億次/秒）的計算速度，相當于15億人用計算器(qì)算115天；還提供了80PB（1PB=1024TB）的存儲空間，可(kě)以存放海量數據。友草
軟硬件協同設計賦予了“寰”強大的解讀地球的能力，簡單來說，寰就是一個(gè)我議可(kě)以快速解出表征地球系統複雜方程組的一個(gè)裝置，有了北關她(tā)，更快捷更可(kě)靠地預知未來天氣和(公知hé)氣候變化不再是夢想！
要研究氣候，那就讓我“寰”你(nǐ)的前世今生和秒房(hé)未來吧！
前世——古氣候模拟
過去的氣候不是一成不變的，古氣候代用資(zī)料（如(rú農草)黃土(tǔ)、珊瑚、樹(shù)輪等）記錄過去千百萬年的氣候變化事黑開件。那麼應該如(rú)何理解過去氣候變化的聽科機理，又該如(rú)何通(tōng)過古氣候研究對我們預估未來氣費弟候提供幫助呢(ne)？
數值模拟為古氣候研究提供了一個(gè)重要手段！
模拟古氣候，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(票資zhōng)各圈層紛繁複雜的相互作用，其氣候驅動湖湖(dòng)因子(zǐ)包括太陽軌道參數變化、大氣從月二氧化碳濃度變化、全球冰量變化、大洋通(tōng)道的開閉、林美高原擡升等等。通(tōng)常，氣候系統模式隻包含海陸氣冰這些圈層的耦合，并未兵文充分考慮諸如(rú)動(dòng)态植被、海洋生物化學、醫章沙塵等物理過程。
然而在古氣候模拟中(zhōng)，植被-氣候相互作用是研究的熱點和(hé)難點之一！
植被覆蓋率及其動(dòng)态演變過程是陸地影都志響氣候的核心問(wèn)題。将間接導緻氣溫、降水甚至大廠商氣環流發生變化。
但這難不倒我們的“寰”，“寰”的地球系統模式數值模拟系統直接耦合了“植被農答動(dòng)力學模式分系統”。陸地植被生态的生長和(議店hé)凋零、時空的遷移、種類的改變都能盡在掌握。和行
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(zī)料對睡姐于檢驗氣候模式和(hé)預測未來氣候變化具有極大的價值生和。（圖片來源參考文(wén)獻10）
除此之外，“寰”還耦合了“海洋生化模式”、“陸地生物地科喝球化學模式”等分系統，包含了各圈層的物理低家、化學和(hé)生物過程及其相互作用的“寰”能夠為古氣候模拟提供了重要的科學兵火工具，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(yè)革命後的全球變暖
1850年工業(yè)革命以後，全球溫度整體呈現上升趨勢。HadCRUT4觀測資(zī)料的分析結果顯示2010-2019年相比于工業(yè)革命剛開始階段（1850-1900年），全球平均表面溫度升高了1.1℃。
1850-2019年全球表面溫度觀測與模拟的比較，黑線為觀測結果，黃線為考慮了人為因妹商素（氣溶膠、溫室氣體）和(hé)自然因素的結果，二者最為接近。（Gillett, Nature Climate Change,金匠 2021）
人類活動(dòng)所造成的大量碳的排放是全球變暖的重要因素光上之一。當前國際上的多數模式都能夠在給定CO2濃度的前提下(xià)，模拟出全球溫度的上我站升趨勢。但随着溫度的升高，陸地和(hé)海洋的固碳能力将發生變化，大氣中(zh但說ōng)CO2的濃度也會随之變化。上述溫度和(hé)CO2之間的相互作用過程在大多數模式中(zhōn能見g)是缺失的，“寰”中(zhōng)的地球系統模式能夠模拟CO2濃度的全球分布，考慮了溫度和(hé)CO2之間的相互作用過程，可(kě)提高模式對美師氣候變化預估的可(kě)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件白東西，即氣溶膠。
别看單個(gè)氣溶膠小小的不成氣候，但成片的氣溶膠的确能成友從“氣候”。
氣溶膠可(kě)以參與雲的形成，改變雲的生命期和(hé)議制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會道門委員會（IPCC）報告指出，在氣候變化的驅動(dòng)因子(zǐ)中(zhōng)，民門氣溶膠-雲的作用是不确定性最大的那一個(gè)。
同樣，這也難不倒我們的“寰”，“寰”的地球系統模式數火好值模拟系統中(zhōng)有一個(gè)叫做“氣溶膠和(hé)大氣化學過程你爸模式”的分系統，該分系統耦合了一些國内特色的物理化學參數化方案（如(r睡火ú)海鹽、沙塵過程等），實現了與大氣環流模式的一個(gè)雙向配合，新建了如務樹(rú)人為排放源模塊、沙塵模塊等14個(gè)模塊。有了這個(gè)分系統，相身一信“寰”對氣溶膠氣候效應的模拟能力的提升訊業指日可(kě)待，這将提升我們預估全球溫度變化，理解氣候變化機理的能力。
未來——碳中(zhōng)和(hé)、氣候預估和(hé)防務說災減災
全球變暖正在深刻影響着地球的未來。2020年9月(yuè)，中(zhōng)國向國際社會鄭重承諾争取2060年前實現“碳中(zhōng)和(hé)”。面對碳中(zhōng)和(h廠數é)國家低碳發展的需求，可(kě)靠的、精細的區域氣候變化信息，對于各級時長政府應對碳中(zhōng)和(hé)背景下(xià)的氣候變化至關(guān)們靜重要。
碳中(zhōng)和(hé)也是一個(gè)複雜的科學問(wèn)年林題，涉及到了大氣、海洋、陸地、生态環境等多個(gè)領綠黑域的交叉。“寰”将緻力于多圈層碳氮循環機制的少也研究，為建成國際領先的碳源彙精準評估方法體系和(hé)技術(shù)提供站呢支撐平台。
同時，氣候變化帶來的極端氣候事件是目前各個(gè)國家面現不臨的巨大挑戰之一。氣候變暖使得氣候系統的不穩定性加劇通大，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态到亮理另外一種穩定狀态的關(guān)鍵門檻，一旦臨界點被激活，系兒習統将無法回至原來的穩定狀态。2019年氣候學家斯特芬中(zhōng)在 Nature 上表示在全球變暖背景下(xià)，全球15個(gè)“氣候臨界點”已被激活9個(gè)。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月影性。（圖片來源參考文(wén)獻11）
ENSO事件是年際尺度上氣候變化的最強信号，影響着中(zhōng)國的降水、氣溫會內以及台風活動(dòng)。全球變暖以後，大的氣候背景發生了少吃變化，導緻了80年代以後El Nino事件比80年代以前的El Nino事件更強。ENSO的這一系列變化将帶來降水的異常，給國民經濟帶來巨大的損失。如(rú)明影1998年長江特大洪水，2015/2016年洪澇，特别是2015年台風災害嚴重，如(rú)第9号台風“燦鴻”為1949年以來7月(yuè)份登陸浙閩地區的最強台風。
目前，“寰”能提前9個(gè)月(yuè)預測ENSO，預報能力領先于國際水平。同時，“寰”具市短有水平尺度在25公裡左右的高分辨率全球尺度地球系統模式，相年一比低分辨率模式，能夠提高對台風的氣候預測水平。空城
“寰”将緻力于短(duǎn)期氣候預測問(我少wèn)題，提高對氣候災害預測水平，為保障人民生活雪訊、财産、人身安全提供科學的力量。
具有我國自主知識産權，軟硬件指标相适應的“地雜很球系統數值模拟裝置”，是認知地球系統科學的國之重器(qì)生花，更是認知氣候前世今生未來的利器(qì)。
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”帶給氣候土要最浪漫的禮物。
知識窗
氣溶膠：氣溶膠指的是懸浮在大氣中(zhōng)的固體或液體粒子(zǐ)。市見
古氣候代用資(zī)料：生物有機體(如(rú)樹(shù)木、珊瑚、浮遊生物很器)，冰芯、石筍等，在過去的生長過程中(zhōn草快g)很好地記錄了一些氣候引發的變化，借助藍懂這些資(zī)料，能提取古氣候的信息。
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（轉載自中(zhōng)科院之聲）
