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雖然給整個(gè)地球做實(shí)驗不現實(shí)，但科學(xué)家仍有辦法為地球把脈。地球上的空氣、江河湖海、山石冰雪、生命體……這些紛繁萬(wàn)物都可以被科學(xué)家裝進(jìn)“數值實(shí)驗室”，用來(lái)模擬地球的現狀，預測未來(lái)的氣候變化。

 

 

6月23日，國家重大科技基礎設施“地球系統數值模擬裝置”在北京懷柔科學(xué)城落成啟用。這是我國研制成功的首個(gè)具有自主知識產(chǎn)權的地球系統模擬大科學(xué)裝置。

 

 

 

 

地球系統模擬裝置，又稱(chēng)地球模擬實(shí)驗室，簡(jiǎn)而言之，就是對地球系統進(jìn)行數值模擬，即以地球系統觀(guān)測數據為基礎，利用描述地球系統的物理、化學(xué)和生命過(guò)程及其演化的規律在超級計算機上進(jìn)行大規?？茖W(xué)計算，科學(xué)家們由此得以重現地球的過(guò)去、模擬地球的現在、預測地球的未來(lái)。

 

地球系統數值模擬裝置是我國首個(gè)具有自主知識產(chǎn)權，以地球系統各圈層數值模擬軟件為核心，軟、硬件協(xié)同設計，規模及綜合技術(shù)水平位于世界前列的專(zhuān)用地球系統數值模擬裝置。其核心軟件是中國科學(xué)院大氣物理研究所經(jīng)過(guò)長(cháng)期科研攻關(guān)自主研發(fā)的地球系統模式，能夠模擬大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈、生物圈的演變規律。

 

 

作為國家綜合國力的體現，各國科學(xué)家都在積極研發(fā)自己的數值模式。例如，正在進(jìn)行中的第六次國際耦合模式比較計劃就有來(lái)自全球33家機構的約112個(gè)氣候模式版本注冊參加，其數量為歷次之最。

 

雖然目前國際上已有如此多的數值模式，但它們絕大多數仍是氣候系統模式，僅有美國、歐洲、日本、中國等少數國家和地區提交了地球系統模式，其中就包括了由中科院大氣物理研究所牽頭研發(fā)的地球系統模式CAS-ESM2.0。值得一提的是，CAS-ESM正是地球模擬實(shí)驗室的核心模式軟件。

 

“我國地球模擬實(shí)驗室的建成將服務(wù)于應對氣候變化、生態(tài)環(huán)境建設、雙碳愿景目標、防災減災等國家重大需求，能夠為國際氣候與環(huán)境談判提供有力的科學(xué)支撐。”中科院大氣物理研究所所長(cháng)曹軍驥說(shuō)。

 

 

 

當前，氣候變化應對與碳中和實(shí)現，是世界各國所面臨的共同問(wèn)題，也是最為復雜的多邊外交談判議題之一。一些發(fā)達國家已建成專(zhuān)門(mén)的地球模擬裝置，從而在全球氣候和環(huán)境變化問(wèn)題的外交談判中占據主導地位。

 

如今，我國面向地球系統專(zhuān)用數值模擬裝置的建成將有利于扭轉這一局面。“我們要用自己的計算數據作為氣候與環(huán)境領(lǐng)域談判的依據，提升我國的國際話(huà)語(yǔ)權。”中國科學(xué)院院士、國家最高科學(xué)技術(shù)獎得主曾慶存說(shuō)。

 

曹軍驥表示，新落成啟用的地球模擬實(shí)驗室整體性能與國際先進(jìn)水平相當，具備地球表層各圈層的模擬能力，能夠更全面地考慮地球系統的各種過(guò)程，特別是全球生態(tài)和生物地球化學(xué)過(guò)程及其與氣候系統的相互作用，并在此基礎上建立起“生態(tài)-氣溫-二氧化碳濃度-碳排放量”的清晰關(guān)系，對溫室氣體核算、未來(lái)升溫預估提供有力的模擬支撐，助力碳達峰、碳中和愿景目標的實(shí)現。

 

比如，陸地系統作為全球最重要的碳匯之一，在助力碳中和目標實(shí)現的過(guò)程中，其作用不可忽視。地球模擬實(shí)驗室使用的新版全球植被動(dòng)力學(xué)模式能對全球植被分布和碳通量進(jìn)行準確的模擬，從而更準確地把握陸地生態(tài)系統對全球變化的響應和反饋。

 

因此，地球模擬實(shí)驗室的落成和啟用將為實(shí)現碳中和提供強有力的科技支撐。

將地球搬進(jìn)實(shí)驗室需多學(xué)科融合

 

 

 

那么，為什么科學(xué)家要把地球搬進(jìn)實(shí)驗室？此事說(shuō)來(lái)話(huà)長(cháng)。

 

上世紀60年代，國際科學(xué)界提出地球科學(xué)應該怎樣發(fā)展的問(wèn)題。當時(shí)世界上有兩種科學(xué)研究方法，一種是理論探討，即理論分析、邏輯推算，理論分析后再用實(shí)驗去驗證，驗證正確了才是可靠的理論；另一種是實(shí)驗分析。

 

但是，對于地球科學(xué)而言，做實(shí)驗是不現實(shí)的。做關(guān)于地球的實(shí)驗，需要滿(mǎn)足的條件太多，沒(méi)辦法保證實(shí)驗室環(huán)境和真實(shí)環(huán)境全部符合。此外，做實(shí)驗有時(shí)候要破壞一個(gè)“環(huán)境”，像生物科學(xué)可通過(guò)解剖來(lái)實(shí)現，但對全地球卻沒(méi)法開(kāi)展類(lèi)似實(shí)驗，因為地球環(huán)境不容破壞。

 

 

當時(shí)，正值電子計算機出現了，于是國際上提出了第三種科學(xué)研究的辦法，叫數值模擬，或稱(chēng)數值試驗。“這一方法簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是提出一個(gè)理論后，要驗證這個(gè)理論對不對，就需要建立數學(xué)模型并利用電子計算機求解，把經(jīng)過(guò)理論模型計算后的數值和實(shí)際對比，來(lái)證明理論預測是不是和實(shí)際的一致。”曹軍驥說(shuō)，如果這個(gè)數學(xué)模型與實(shí)際相符，就可用來(lái)做模擬實(shí)驗。

 

全球環(huán)境變化既是科學(xué)問(wèn)題，更是國際氣候環(huán)境外交的核心問(wèn)題之一，關(guān)乎國家經(jīng)濟社會(huì )可持續發(fā)展。這要求科學(xué)研究必須突破傳統地學(xué)各分支學(xué)科分別進(jìn)行研究的方法的局限性，而要用系統的觀(guān)點(diǎn)和方法將地球各圈層作為統一整體。“地球系統模式軟件是復雜的巨系統模型，需要多學(xué)科緊密聯(lián)系，這是大氣科學(xué)、計算科學(xué)和計算機技術(shù)融合的一個(gè)典型。”曹軍驥說(shuō)道。


編輯：魏來(lái)