曾庆存：“把脉”地球

　　◇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，提升我国话语权

　　◇地球系统数值模拟装置一天可以计算出地球的大气圈、水圈、岩土圈、生物圈等多个圈层10年左右的变化

　　◇应用地球系统数值模拟装置，能够大幅提升我国应对区域自然灾害和环境问题的能力

　　◇地球系统数值模拟装置的研究数据可以为中国的生态环境保护提供科学依据，比如助力碳达峰、碳中和

　　近百年来，随着人类社会飞速发展，全球气候和环境变化问题日益严重，台风、洪涝、干旱等自然灾害频发。在各类自然灾害中，与气象直接相关的占到70%以上。人类越来越迫切地需要读懂地球，更精准、全面地认识地球变化，研究全球变化的机制和原因，预知地球的未来。

　　“把脉”地球，离不开科学试验装置的支撑。“地球系统数值模拟装置”是当今世界公认最为重要的地球系统研究工具。位于北京市怀柔科学城的“地球系统数值模拟装置”即将于6月投入试运行。

　　该装置相当于一个“地球实验室”，它在专用超级计算机上运行了一套地球系统模式（模型），用以计算出大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈的运动变化规律，对地球的过去进行反演、对现在进行观察，对未来进行预测。

　　该装置发起人之一、中科院大气物理研究所曾庆存院士向《瞭望》新闻周刊记者介绍，应用这一装置，可以更加逼真地实现对大气、海洋、陆面过程、植被生态等的仿真研究，显著提升全球气象和海洋状况预报、灾害预警预报能力，使我国防灾减灾水平跃升到新高度。从中长期看，也能对国家实施生态文明、“一带一路”、碳中和等提供强有力的科技支撑。

　　“把脉”地球来龙去脉　　

　　《瞭望》：多年前你就提出建立中国自己的地球系统模式和数值模拟装置，当时是怎么考虑的？

　　曾庆存：上世纪60年代，国际科学界提出地球科学应该怎么发展的问题。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，理论分析需要实验去验证，验证正确了才是可靠的理论；另一种是实验。但对于地球科学，做实验是不现实的。做实验有很多详细条件，例如需要保证实验室环境和真实环境一致。但要做关于地球的实验，需要满足的条件太多，没办法做到全部符合。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，但对全地球却没法开展类似实验，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，我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。如果这个数学模型与实际相符，就可用来做模拟实验。

　　我是地球系统模型的呐喊者。我曾在中国科学院学部大会上两次提出地球科学发展必须使用数值模拟的方法，算是最早提出这一观点的人，我最早提出这个问题是在1985年。

　　当时我们没有高性能计算机，我陆续做了一些理论研究，例如生态研究，植物要靠光合作用生存，森林里高的树比矮的树能多得到一些阳光，于是树木的高矮就形成了对资源的竞争关系，我就把这个理论写了出来。但这个理论准不准确，就需要在计算机上用数值计算验证。如果验证准确，这个理论就能发展成一个植被生态模型，用以科学实验。

　　后来，计算模拟的方法慢慢发展到大气、海洋、陆地表层，每方面都需建立一套方程，并耦合起来进行求解，才能对各种气候及生态环境演变的过程进行研究。

　　上世纪90年代，我们利用大气、海洋、陆面三个分系统模型耦合成气候系统模型，这个模型在超级计算机上运转，实现了跨季度的气候预测，比如冬末就能预测夏天的洪水，我们当时做得比国外早，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）科学评估报告和世界气候研究计划的科学报告都引用了我们的成果作为成功范例。

　　但要研究长时间跨度的气候变化问题，不能只利用大气、海洋、陆面模型，还需要将地球系统中对气候状态变化有影响的环境生态等都考虑在内，并计算它们之间的相互作用，这就必须建立一个更复杂的地球系统模型。这也需要一个足够强大的超级计算机。

　　《瞭望》：地球系统模型是怎样发展成为一个大科学装置的？

　　曾庆存：2007年，我国组织召开一次地球系统模型研讨会，来自中科院、国家自然科学基金委、气象局方面的专家讨论了地球系统模型怎么应用到未来气候变化的问题。

　　当时已临近将于2009年召开的哥本哈根世界气候大会，会上将制定全球二氧化碳减排目标和各类国家应分担的份额，形势紧迫。为适应国家需要，时任中科院副院长丁仲礼要求大气物理研究所加大研究力度，研制“中国科学院地球系统模式”，由我总负责。时任中科院院长路甬祥也高度重视，指示还需为之解决超算和信息处理的配套设备，于是中科院2011年向国家申报建立“地球系统数值模拟装置”，以保证我国自主研制的地球系统模式为首要任务，同时带动地球科学的理论化。2013年获国家批准，列入《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012—2030年）》。2018年，地球系统数值模拟装置获国家发展和改革委员会批复，在怀柔科学城东区破土动工，正式进入建设实施阶段。

　　装置建成后将成为我国首个具有自主知识产权，以地球系统各圈层模拟软件为核心，软、硬件指标相适应，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。

　　如何做地球实验　

　　《瞭望》：地球系统数值模拟装置是如何做地球实验的？

　　曾庆存：我们的地球系统数值模拟装置，将研究地球系统的大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈的物理、化学、生物过程及其相互作用，探究上述相互作用对地球系统整体和我国区域气候和生态环境的影响。

　　地球系统数值模拟装置使用的核心软件，是中科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，它包含大气、海洋、陆面、植被生态、大气化学、海洋生化、陆地生化过程7个分系统模式及其全耦合，这个较完整的地球系统模式就是地球系统数值模拟装置的“大脑”。

　　例如我们要做一个区域十年以上的气候变化研究，除了要结合大气、海洋、陆面分系统模式，还要耦合植被生态模式。因为十年时间中，植被不断变化，草会变成灌木，灌木可以变成森林，或者森林退化成灌木，这都会对气候产生影响，因此我们需要研究植被生态动力学的过程，模拟植被的分布格局及其演变等。如果要模拟全球气候变化，则需要耦合7个分系统模式甚至更多模式，从系统的角度进行地球各圈层自身演化规律及它们之间相互作用规律的研究，从而掌握地球系统变化规律，以便更科学地解决气候和生态环境问题。

　　《瞭望》：目前国际上在运行的地球系统数值模拟系统情况怎样？我们处于什么水平？

　　曾庆存：美、日、欧等发达国家和地区已建有软硬件相结合的面向地球系统的数值模拟装置，如运行在美国“夏延”超级计算机上的地球系统模式CESM、运行在日本“京”超级计算机上的地球系统模式MIROC-ESM等。这些数值模拟装置非常先进，例如日本依托其装置建立了当前最高分辨率的短期气候预测系统，使年际气候预测水平世界领先，极大提高了其国际影响力。

　　我们的地球系统数值模拟装置与国际先进水平相当。它具备地球表层全体的模拟能力，能够使我国在此领域的研究短时间内达到国际先进水平。

　　为了比较和评估国际上各个地球系统模式，世界气象组织的世界气候研究计划工作组提出了国际耦合模式比较计划，该计划每六七年进行一次，最近的一次是第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6），我们的地球系统模式也参加了CMIP6计划。CMIP6包括很多试验，既有对未来百年气候的预估，也有对历史气候的模拟。未来的气候还不知道，没办法验证哪个模式更好。而对最近十年全球气候变暖的模拟和预测看，大家预测的都差不多。

　　我们将来用地球系统数值模拟装置的效果会比我们以前的预测效果好，这是可以肯定的。地球系统数值模拟装置的大气模式水平分辨率（实为网格距）可达25公里，海洋模式可达10公里，能够达到世界先进水平。

　　如何对地球预测得更准　　

　　《瞭望》：地球系统数值模拟装置建成后的首要任务是什么？

　　曾庆存：此前我国缺乏面向地球系统专用的数值模拟装置，使我国地球系统模式的研制和气候变化模拟研究受到很大制约，研究结果科学支撑能力不足，导致在国际外交谈判时话语权不足。

　　现在，我们的地球系统数值模拟装置的专用超级计算机马上要建好，如让这台超级计算机发挥最大功效，我们可以补足全部该做的数值试验，同时我们还要继续升级地球系统模式软件。中科院在2015年时发布的地球系统模式1.0版本只是中分辨率的。我们现在可以将模式提高为高分辨率的，即：大气25公里，海洋10公里。这套软件一天可以计算出地球的大气圈、水圈、岩土圈、生物圈等多个圈层10年左右的变化。

　　地球系统模式软件是复杂的巨系统模型，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，目前项目组正集中精力完成新版本地球系统模式的开发。今年力争把中国完全自主研发的新版本地球系统模式推向国际。我们要用自己的计算数据作为气候与环境领域的谈判依据，提升我国话语权。

　　《瞭望》：地球系统数值模拟装置将会有哪些应用？

　　曾庆存：第一个应用是做好全球气候和生态环境的模拟，也要很细致模拟我国所在区域的情况。我们也可以做更精准的年度或者跨季度甚至于季度的气候预测，大幅提升我国应对区域自然灾害和环境问题的能力。

　　第二是可以把装置应用到环境的治理和改造工程或者环境规划。现在国家高度重视环境问题，强调生态保护，地球系统数值模拟装置的研究数据可以为中国的生态环境保护提供科学依据，助力碳达峰、碳中和。

　　此外，我们还能获取地球系统各圈层的时空分布和演变的海量数据，建成国内完整数据库，提供地球系统四维资料同化等产品以供天气预报、气候预测等各方面的需要。

　　《瞭望》：地球系统数值模拟装置未来还有哪些发展空间？

　　曾庆存：地球系统数值模拟装置非常复杂，目前已完成耦合的有7个分系统模式，但也还不能包罗自然界的所有变量，总有遗漏的自然要素。

　　我们还要建设三个独立的大分系统模式，一是日地空间环境模式，这个模式以太阳大气等观测数据为驱动，模拟太阳风在太阳日冕到地球空间中的传播演化过程，这也是近地空间研究和空间天气预报业务所必不可少的；二是大陆冰盖模式，它能够模拟大陆冰盖和冰川在全球气候快速变化情况下的演变历史和断裂发育，并预测其发展趋势以及对地球各个圈层的影响；三是固体地球模式，旨在建立全球多时空尺度地球动力学模式，实现对地幔对流、板块运动、矿床和矿物形成等的模拟能力。甚至还可以利用地震波反映板块尤其是断裂带的结构和变化，为“数值地震预报”提供科学基础和算法。当然，其时间尺度比数值天气和气候预报要长得多，估计在50年或更长时间后，预测地震发出（在半年或一年内）和震中位置（百公里量级）是可能的。总之，要推动地球科学的理论化和数值化。

　　在当前的地球系统数值模拟装置中，上面3个分系统模式是独立发展的，未来可以实现全部10个甚至更多分系统模式的耦合，能够更准确地预测未来100年的气候变化、地球环境演变等重大问题。