地球系統模式：回答氣候變化關鍵問題的科技利器

中國氣象數據

國家氣象信息中心（中國氣象局氣象數據中心）

氣候如何變化

地球未來怎樣

地球系統模式試圖解答這些問題

地球未來的氣候到底將如何變化，幾十年後會繼續變暖還是轉向“冰河世紀”？未來極端天氣氣候事件會變得更加頻發嗎？歷史上導致氣候突變的關鍵因素到底是什麼？這一個個問題都關乎地球和人類的未來，但卻很難回答。

不少國家都在打造的一件“利器”——地球系統模式或許可以告訴我們這些問題的答案。

地球系統模式的“崛起”

近百年來，全球氣候正經曆一次以變暖為主要特征的顯著變化。氣候變暖帶來了一系列影響，包括海平面上升、冰川消融、沙漠化加劇，以及高溫、暴雨、幹旱、風暴等極端天氣氣候事件發生的頻率與強度增加。

氣候變化的影響，正在全世界各地顯現威力。

要深入研究氣候變化的機制和原因，並預測未來的變化趨勢，以便采取應對措施，必須從了解大氣圈、水圈、冰凍圈、岩石圈和生物圈等各圈層之間複雜的相互作用出發。如此宏大、內容繁多的研究就需要借助能夠描述多圈層相互作用的物理和化學過程的地球系統模式。

“在極端天氣氣候事件不斷加劇的情況下，地球系統方法顯得尤為重要，可幫助我們了解導致氣候變化的因素，以及這些變化的嚴重程度，從而提升應對能力。”世界氣象組織首席科學家帕維爾·卡巴特說。

從學科發展本身來講，地球系統模式的雛形——氣候系統模式的發展已成為近20年來國際熱門的前沿課題，不少國家紛紛制訂各種氣候系統模式乃至地球系統模式研究計劃，並投入巨資發展。地球系統模式發展水平的高低已經成為衡量一個國家科技綜合實力的重要指標之一。

當地球系統模式遇上人工智能

隨著氣候系統各分量模式不斷豐富，地球系統模式將更加注重多圈層、多過程、多要素的耦合。與此同時，地球系統數據也在激增。

世界氣候研究計劃（WCRP）先後組織 了 五 次 國 際 耦 合 模 式 比 較 計 劃（CMIP1、CMIP2、CMIP3、CMIP5和CMIP6）。其中，CMIP5模式輸出的數據總量超過3PB，而 CMIP6模式輸出的數據總量預計將超過30PB。

影響大氣環境的要素十分複雜。而隨著考慮的要素越來越多，地球系統模式的數據量也隨之水漲船高。

然而，地球系統模式的預測能力並不一定會因為數據量的劇增而提升，科學家還需要深入理解這些數據背後地球系統各圈層之間的相互作用和反饋機制。由此，一些研究人員開始轉向利用人工智能，尤其是機器學習和深度學習來改進地球系統模式。

美國國家大氣研究中心（NCAR）和美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）已經開始用機器學習和深度學習模式來替換部分氣候和天氣模式。

不同研究領域的“破壁者”

政府間氣候變化專門委員會第五次評估報告顯示，基於地球系統模式，氣候變化和碳循環之間的反饋作用將加劇全球變暖。
此外，到21世紀末在所有溫室氣體排放情景下全球海洋酸化都將加劇。

科學家對地球系統模式寄予厚望，希望其在預測長時間尺度上的地球氣候和環境變化中發揮關鍵作用。世界氣象組織明確指出，全球氣象事業到了一個全新的轉折點，氣象業務將轉向在無縫隙的地球系統框架下推進天氣、氣候、水和環境業務。利用地球系統模式對氣候變化及其影響進行預測，已成為未來模式的發展趨勢。

應對氣候變化以及預測和預防其未來影響是全球面臨的共同課題，並且為減少科學領域、政策制定者、商業界和更廣泛社會之間的障礙提供了新的必要條件。打破不同研究領域之間的障礙是發展地球系統模式的關鍵之一。地球系統模式不僅涉及各圈層之間的相互作用，還需要考慮日益加重的人類活動的影響。只有匯聚各領域的研究成果，才能更好地將科學、服務和政策制定聯系起來。

團結協作是地球系統模式發展的前提

“地球系統模式研發需要跨越不同學科的協作和結合，包括氣象學、氣候學、水文學、環境和社會學、經濟學等
，這可大大提高各種產品和服務的質量及全面性，包括天氣預報、氣候預估、洪水和幹旱預警以及空氣質量預報和衛生服務等。”帕維爾·卡巴特說。