气候，我“寰”你前世今生未来！丨地球模拟实验室

编者按：地球系统数值模拟装置——“寰”，是国家“十二五”重大科技基础设施项目，它是面向地球科学的高性能模拟装置。中科院之声与中国科学院大气物理研究所联合开设的“地球模拟实验室”专栏，将为大家介绍这一装置的强大功能，及其在应对气候问题，解决环境问题中所扮演的重要角色。 

人类很早就想预知天气和气候。远在三千年前，我国殷代甲骨文中就记载着殷人预测的未来十天天气的记录，这种活动称为“卜旬”。随后历代劳动人民在生存斗争中，也了解到了不少天气变化的规律，例如《诗经》中有“上天同云，雨雪雰雰”，《相雨书》中有“云若雨鳞，次日风最大”…… 

古代人类不仅重视天气，也很重视气候。从秦汉后，关于特殊的气候，如大旱、大水、大寒等记录不但在增加，记录的范围也在逐步扩大。而在此期间，二十四节气的确定，桃李花开，候鸟往来的观察也凸显了人类对气候预测需求的迫切。 

虽然古人对于天气、气候的记录和规律掌握了不少，但是却无法定量对天气和气候做出预测，这个遗憾一直存在。直到20世纪初，理查德森（Lewis Fry Richardson）首次尝试“手工数值天气预报”。他花了6周的时间，提出了“天气预报工厂”的设想，通过光信号来指挥64000名专业算手用手工计算来预报西欧地区未来6小时的天气，这就是最早人们利用“人动超级计算机”计算数值天气预报的雏形。

“天气预报工厂”示意图（图片来源参考文献3） 

中国的数值天气预报在建国后得到了快速的发展。在一大批优秀的气象学家的努力下，1955年用图解法两层模式作出了500 hPa (5500km左右) 24小时的预报，1959年用电子计算机制作出了亚欧地区和北半球地区的高度场预报，1973年开始用原始方程模式制作预报…… 

随着科学技术的进步，数值模拟的发展已今非昔比，模式系统已经由单一的大气模式，逐步实现了包括海洋，陆地，海冰，植被等多圈层分量模式的耦合，模式的分辨率也由早期的数百公里，提高到如今的数十公里。而分辨率提高，其计算量将会呈指数型增长，若没有超级计算机的帮助，根本无法在有限的时间内完成如此庞大的计算。同时，将大气圈与水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈紧密结合，考虑其相互作用，对于提升气候预报、预测效果、更深入地认识整个地球系统具有重要的意义。 

以前，中国并没有专用于地球系统数值模拟的软硬件一体装置。现如今，中国科学院大气物理研究所牵头建设了具有中国自主知识产权，软硬件协同设计研发的地球系统数值模拟装置——寰（EarthLab），来了！ 

“寰”的软件系统包括地球系统模式数值模拟系统、区域高精度环境模拟系统、超级模拟支撑与管理系统和支撑数据库和资料同化及可视化系统，可实现全球高分辨率（大气25公里，海洋10公里）数值模拟、全国1-3公里区域高精度环境模拟，并提供海量的地球科学数据和先进的同化及可视化系统为地球模拟提供科研支撑；硬件系统包括超级计算机硬件系统——硅立方，提供峰值速度不低于15PFlops（1.5亿亿次/秒）的计算速度，相当于15亿人用计算器算115天；还提供了80PB（1PB=1024TB）的存储空间，可以存放海量数据。 

软硬件协同设计赋予了“寰”强大的解读地球的能力，简单来说，寰就是一个可以快速解出表征地球系统复杂方程组的一个装置，有了她，更快捷更可靠地预知未来天气和气候变化不再是梦想！

要研究气候，那就让我“寰”你的前世今生和未来吧！

前世——古气候模拟 

过去的气候不是一成不变的，古气候代用资料（如黄土、珊瑚、树轮等）记录过去千百万年的气候变化事件。那么应该如何理解过去气候变化的机理，又该如何通过古气候研究对我们预估未来气候提供帮助呢？ 

数值模拟为古气候研究提供了一个重要手段！ 

模拟古气候，需要考虑地球在长达百万到千万年时间尺度的演变过程中各圈层纷繁复杂的相互作用，其气候驱动因子包括太阳轨道参数变化、大气二氧化碳浓度变化、全球冰量变化、大洋通道的开闭、高原抬升等等。通常，气候系统模式只包含海陆气冰这些圈层的耦合，并未充分考虑诸如动态植被、海洋生物化学、沙尘等物理过程。 

然而在古气候模拟中，植被-气候相互作用是研究的热点和难点之一！ 

植被覆盖率及其动态演变过程是陆地影响气候的核心问题。将间接导致气温、降水甚至大气环流发生变化。 

但这难不倒我们的“寰”，“寰”的地球系统模式数值模拟系统直接耦合了“植被动力学模式分系统”。陆地植被生态的生长和凋零、时空的迁移、种类的改变都能尽在掌握。

过去6500万年地球气候变化，科学家们构建了过去6500万年甚至更长时间地球气候变化的框架，这些古气候资料对于检验气候模式和预测未来气候变化具有极大的价值。（图片来源参考文献10） 

除此之外，“寰”还耦合了“海洋生化模式”、“陆地生物地球化学模式”等分系统，包含了各圈层的物理、化学和生物过程及其相互作用的“寰”能够为古气候模拟提供了重要的科学工具，为科学家们进一步探寻古气候的奥秘提供了便利。

今生——工业革命后的全球变暖 

1850年工业革命以后，全球温度整体呈现上升趋势。HadCRUT4观测资料的分析结果显示2010-2019年相比于工业革命刚开始阶段（1850-1900年），全球平均表面温度升高了1.1℃。

1850-2019年全球表面温度观测与模拟的比较，黑线为观测结果，黄线为考虑了人为因素（气溶胶、温室气体）和自然因素的结果，二者最为接近。（Gillett, Nature Climate Change, 2021） 

人类活动所造成的大量碳的排放是全球变暖的重要因素之一。当前国际上的多数模式都能够在给定CO2浓度的前提下，模拟出全球温度的上升趋势。但随着温度的升高，陆地和海洋的固碳能力将发生变化，大气中CO2的浓度也会随之变化。上述温度和CO2之间的相互作用过程在大多数模式中是缺失的，“寰”中的地球系统模式能够模拟CO2浓度的全球分布，考虑了温度和CO2之间的相互作用过程，可提高模式对气候变化预估的可靠性。 

人类除了向大气排放大量的CO2，同时也向大气排放了许多看不见摸不着的小东西，即气溶胶。 

别看单个气溶胶小小的不成气候，但成片的气溶胶的确能成“气候”。 

气溶胶可以参与云的形成，改变云的生命期和改变云反射太阳辐射的能力，从而影响气候。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告指出，在气候变化的驱动因子中，气溶胶-云的作用是不确定性最大的那一个。 

同样，这也难不倒我们的“寰”，“寰”的地球系统模式数值模拟系统中有一个叫做“气溶胶和大气化学过程模式”的分系统，该分系统耦合了一些国内特色的物理化学参数化方案（如海盐、沙尘过程等），实现了与大气环流模式的一个双向配合，新建了如人为排放源模块、沙尘模块等14个模块。有了这个分系统，相信“寰”对气溶胶气候效应的模拟能力的提升指日可待，这将提升我们预估全球温度变化，理解气候变化机理的能力。

未来——碳中和、气候预估和防灾减灾 

全球变暖正在深刻影响着地球的未来。2020年9月，中国向国际社会郑重承诺争取2060年前实现“碳中和”。面对碳中和国家低碳发展的需求，可靠的、精细的区域气候变化信息，对于各级政府应对碳中和背景下的气候变化至关重要。 

碳中和也是一个复杂的科学问题，涉及到了大气、海洋、陆地、生态环境等多个领域的交叉。“寰”将致力于多圈层碳氮循环机制的研究，为建成国际领先的碳源汇精准评估方法体系和技术提供支撑平台。 

同时，气候变化带来的极端气候事件是目前各个国家面临的巨大挑战之一。气候变暖使得气候系统的不稳定性加剧，极端的天气事件就变得“一触即发”！

气候临界点是全球或区域气候从一种稳定状态到另外一种稳定状态的关键门槛，一旦临界点被激活，系统将无法回至原来的稳定状态。2019年气候学家斯特芬中在 Nature 上表示在全球变暖背景下，全球15个“气候临界点”已被激活9个。气候变化带来了极端气候事件的严峻性，也带来了预测未来气候的迫切性。（图片来源参考文献11） 

ENSO事件是年际尺度上气候变化的最强信号，影响着中国的降水、气温以及台风活动。全球变暖以后，大的气候背景发生了变化，导致了80年代以后El Nino事件比80年代以前的El Nino事件更强。ENSO的这一系列变化将带来降水的异常，给国民经济带来巨大的损失。如1998年长江特大洪水，2015/2016年洪涝，特别是2015年台风灾害严重，如第9号台风“灿鸿”为1949年以来7月份登陆浙闽地区的最强台风。 

目前，“寰”能提前9个月预测ENSO，预报能力领先于国际水平。同时，“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统模式，相比低分辨率模式，能够提高对台风的气候预测水平。 

“寰”将致力于短期气候预测问题，提高对气候灾害预测水平，为保障人民生活、财产、人身安全提供科学的力量。 

具有我国自主知识产权，软硬件指标相适应的“地球系统数值模拟装置”，是认知地球系统科学的国之重器，更是认知气候前世今生未来的利器。 

解读气候的过去、观察气候的现在、预估气候的未来，或许这就是“寰”带给气候最浪漫的礼物。

知识窗

气溶胶：气溶胶指的是悬浮在大气中的固体或液体粒子。

古气候代用资料：生物有机体(如树木、珊瑚、浮游生物)，冰芯、石笋等，在过去的生长过程中很好地记录了一些气候引发的变化，借助这些资料，能提取古气候的信息。

参考文献：

1. 王鹏飞. 中国古代气象上的主要成就[J]. 大气科学学报, 1978(1):141-151.

2. 竺可桢. 大家小书·天道与人文[M]. 北京:北京出版社, 2011.

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

4. 郑伟鹏, 满文敏, 孙咏, 等. 第四次国际古气候模拟比较计划（PMIP4）概况与评述[J]. 气候变化研究进展, 2019, 15 (5): 510-518

5. 王绍武, 罗勇, 赵宗慈, 等. 古气候模拟Palaeo-ClimateModeling[J]. 气候变化研究进展, 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. 许武成,马劲松,王文.关于ENSO事件及其对中国气候影响研究的综述[J]. 气象科学, 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

（转载自中科院之声）