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给地球把脉!我国首个地球系统模拟大科学装置启用

资讯 来源:中国科技网 2021年06月24日 2382次浏览 扫描二维码

虽然给整个地球做实验不现实,但科学家仍有办法为地球把脉。地球上气态的空气、液态的江河湖海、固态的山石冰雪、不断演化的生命体……这些纷繁万物都可以被科学家装进“数值实验室”,用来模拟地球的现状,预测未来的气候变化。

6月23日,国家重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”在北京怀柔科学城落成启用。这是我国研制成功的首个具有自主知识产权的地球系统模拟大科学装置。2018年经国家发改委批复,项目全面开工建设。

新装置的核心软件自主研发

地球系统模拟装置又称地球模拟实验室,简而言之,就是对地球系统进行数值模拟,即以地球系统观测数据为基础,利用描述地球系统的物理、化学和生命过程及其演化的规律在超级计算机上进行大规模科学计算,科学家们由此得以重现地球的过去、模拟地球的现在、预测地球的未来。

地球系统数值模拟装置是我国首个具有自主知识产权,以地球系统各圈层数值模拟软件为核心,软、硬件协同设计,规模及综合技术水平位于世界前列的专用地球系统数值模拟装置。其核心软件是中国科学院大气物理研究所经过长期科研攻关自主研发的地球系统模式,能够模拟大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈的演变规律。

作为国家综合国力的体现,各国科学家都在积极研发自己的数值模式。例如,正在进行中的第六次国际耦合模式比较计划,就有来自全球33家机构的约112个气候模式版本注册参加,其数量为历次之最。

虽然目前国际上已有如此多的数值模式,但它们绝大多数仍是气候系统模式,仅有美国、欧洲、日本、中国等少数国家和地区提交了地球系统模式,其中就包括了由中科院大气物理研究所牵头研发的地球系统模式CAS-ESM2.0。值得一提的是,CAS-ESM正是地球模拟实验室的核心模式软件。

“我国地球模拟实验室的建成将服务于应对气候变化、生态环境建设、双碳愿景目标、防灾减灾等国家重大需求,能够为国际气候与环境谈判提供有力的科学支撑。”中科院大气物理研究所所长曹军骥说。

为实现碳中和提供科学支撑

当前,应对气候变化与实现碳中和,是世界各国所面临的共同问题,也是最为复杂的多边外交谈判议题之一。一些发达国家已建成专门的地球模拟装置,从而在全球气候和环境变化问题的外交谈判中占据主导地位。

如今,我国面向地球系统专用数值模拟装置的建成将有利于扭转这一局面。“我们要用自己的计算数据作为气候与环境领域谈判的依据,提升我国的国际话语权。”中国科学院院士、国家最高科学技术奖得主曾庆存说。

曹军骥表示,新落成启用的地球模拟实验室整体性能与国际先进水平相当,具备地球表层各圈层的模拟能力,能够更全面地考虑地球系统的各种过程,特别是全球生态和生物地球化学过程及其与气候系统的相互作用,并在此基础上建立起“生态—气温—二氧化碳浓度—碳排放量”的清晰关系,对温室气体核算、未来升温预估提供有力的模拟支撑,助力碳达峰碳中和愿景目标的实现。

比如,陆地系统作为全球最重要的碳汇之一,在助力碳中和目标实现的过程中,其作用不可忽视。地球模拟实验室使用的新版全球植被动力学模式能对全球植被分布和碳通量进行准确的模拟,从而更准确地把握陆地生态系统对全球变化的响应和反馈。

因此,地球模拟实验室的落成和启用将为实现碳中和提供强有力的科技支撑。

将地球搬进实验室需多学科融合

为什么科学家要把地球搬进实验室?此事说来话长。

20世纪60年代,国际科学界提出地球科学应该怎样发展的问题。当时世界上有两种科学研究方法,一种是理论探讨,即理论分析、逻辑推算,理论分析后再用实验去验证,验证正确了才是可靠的理论;另一种是实验分析。

但是,对于地球科学而言,做实验是不现实的。做关于地球的实验,需要满足的条件太多,没办法保证实验室环境和真实环境全部符合。此外,做实验有时候要破坏一个“环境”,像生物科学可通过解剖来实现,但对地球却无法开展类似实验,因为地球环境不容破坏。

当时,正值电子计算机出现了,于是国际上提出了第三种科学研究的办法,叫数值模拟,或称数值试验。“这一方法简单来说,就是提出一个理论后,要验证这个理论对不对,就需要建立数学模型并利用电子计算机求解,把经过理论模型计算后的数值和实际对比,来证明理论预测是不是和实际的一致。”曹军骥说,如果这个数学模型与实际相符,就可用来做模拟实验。

全球环境变化既是科学问题,更是国际气候环境外交的核心问题之一,关乎国家经济社会可持续发展。这要求科学研究必须突破传统地学各分支学科分别进行研究的方法的局限性,而要用系统的观点和方法将地球各圈层作为统一整体。“地球系统模式软件是复杂的巨系统模型,需要多学科紧密联系,这是大气科学、计算科学和计算机技术融合的一个典型。”曹军骥说。


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