科學院院士、國家最高科學技術獎得主曾慶存：“把脈”地球

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◇我們要用自己的計算數據作為氣候與環境領域談判的依據，提升我國話語權

◇地球系統數值模擬裝置一天可以計算出地球的大氣圈、水圈、岩土圈、生物圈等多個圈層10年左右的變化

◇應用地球系統數值模擬裝置，能夠大幅提升我國應對區域自然災害和環境問題的能力

◇地球系統數值模擬裝置的研究數據可以為中國的生態環境保護提供科學依據，比如助力碳達峰、碳中和

近百年來，隨著人類社會飛速發展，全球氣候和環境變化問題日益嚴重，台風、洪澇、幹旱等自然災害頻發。在各類自然災害中，與氣象直接相關的占到70%以上。人類越來越迫切地需要讀懂地球，更精准、全面地認識地球變化，研究全球變化的機制和原因，預知地球的未來。

“把脈”地球，離不開科學試驗裝置的支撐。“地球系統數值模擬裝置”是當今世界公認最為重要的地球系統研究工具。位於北京市懷柔科學城的“地球系統數值模擬裝置”即將於6月投入試運行。

該裝置相當於一個“地球實驗室”，它在專用超級計算機上運行了一套地球系統模式（模型），用以計算出大氣圈、水圈、冰凍圈、岩石圈、生物圈的運動變化規律，對地球的過去進行反演、對現在進行觀察，對未來進行預測。

該裝置發起人之一、中科院大氣物理研究所曾慶存院士向記者介紹，應用這一裝置，可以更加逼真地實現對大氣、海洋、陸面過程、植被生態等的仿真研究，顯著提升全球氣象和海洋狀況預報、災害預警預報能力，使我國防災減災水平躍升到新高度。從中長期看，也能對國家實施生態文明、“一帶一路”、碳中和等提供強有力的科技支撐。

“把脈”地球來龍去脈

《瞭望》：多年前你就提出建立中國自己的地球系統模式和數值模擬裝置，當時是怎麼考慮的？

曾慶存：上世紀60年代，國際科學界提出地球科學應該怎麼發展的問題。當時世界上有兩種科學研究方法，一種是理論探討，即理論分析、邏輯推算，理論分析需要實驗去驗證，驗證正確了才是可靠的理論；另一種是實驗。但對於地球科學，做實驗是不現實的。做實驗有很多詳細條件，例如需要保證實驗室環境和真實環境一致。但要做關於地球的實驗，需要滿足的條件太多，沒辦法做到全部符合。此外，做實驗有時候要破壞一個“環境”，像生物科學可通過解剖來實現，但對全地球卻沒法開展類似實驗，因為地球環境不容破壞。

當時正值電子計算機出現了，於是國際上提出了第三種科學研究的辦法，叫數值模擬，或稱數值試驗。這一方法簡單來說，就是提出一個理論後，我要驗證這個理論對不對，就需要建立數學模型並利用電子計算機求解，把經過理論模型計算後的數值和實際對比，來證明理論預測是不是和實際的一致。如果這個數學模型與實際相符，就可用來做模擬實驗。

我是地球系統模型的呐喊者。我曾在中國科學院學部大會上兩次提出地球科學發展必須使用數值模擬的方法，算是最早提出這一觀點的人，我最早提出這個問題是在1985年。

當時我們沒有高性能計算機，我陸續做了一些理論研究，例如生態研究，植物要靠光合作用生存，森林裏高的樹比矮的樹能多得到一些陽光，於是樹木的高矮就形成了對資源的競爭關系，我就把這個理論寫了出來。但這個理論准不准確，就需要在計算機上用數值計算驗證。如果驗證准確，這個理論就能發展成一個植被生態模型，用以科學實驗。

後來，計算模擬的方法慢慢發展到大氣、海洋、陸地表層，每方面都需建立一套方程，並耦合起來進行求解，才能對各種氣候及生態環境演變的過程進行研究。

上世紀90年代，我們利用大氣、海洋、陸面三個分系統模型耦合成氣候系統模型，這個模型在超級計算機上運轉，實現了跨季度的氣候預測，比如冬末就能預測夏天的洪水，我們當時做得比國外早，聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）科學評估報告和世界氣候研究計劃的科學報告都引用了我們的成果作為成功範例。

但要研究長時間跨度的氣候變化問題，不能只利用大氣、海洋、陸面模型，還需要將地球系統中對氣候狀態變化有影響的環境生態等都考慮在內，並計算它們之間的相互作用，這就必須建立一個更複雜的地球系統模型。這也需要一個足夠強大的超級計算機。

《瞭望》：地球系統模型是怎樣發展成為一個大科學裝置的？

曾慶存：2007年，我國組織召開一次地球系統模型研討會，來自中科院、國家自然科學基金委、氣象局方面的專家討論了地球系統模型怎麼應用到未來氣候變化的問題。

當時已臨近將於2009年召開的哥本哈根世界氣候大會，會上將制定全球二氧化碳減排目標和各類國家應分擔的份額，形勢緊迫。為適應國家需要，時任中科院副院長丁仲禮要求大氣物理研究所加大研究力度，研制“中國科學院地球系統模式”，由我總負責。時任中科院院長路甬祥也高度重視，指示還需為之解決超算和信息處理的配套設備，於是中科院2011年向國家申報建立“地球系統數值模擬裝置”，以保證我國自主研制的地球系統模式為首要任務，同時帶動地球科學的理論化。2013年獲國家批准，列入《國家重大科技基礎設施建設中長期規劃（2012—2030年）》。2018年，地球系統數值模擬裝置獲國家發展和改革委員會批複，在懷柔科學城東區破土動工，正式進入建設實施階段。

裝置建成後將成為我國首個具有自主知識產權，以地球系統各圈層模擬軟件為核心，軟、硬件指標相適應，規模及綜合技術水平位於世界前列的專用地球系統數值模擬裝置。

如何做地球實驗

《瞭望》：地球系統數值模擬裝置是如何做地球實驗的？

曾慶存：我們的地球系統數值模擬裝置，將研究地球系統的大氣圈、水圈、冰凍圈、岩石圈、生物圈的物理、化學、生物過程及其相互作用，探究上述相互作用對地球系統整體和我國區域氣候和生態環境的影響。

地球系統數值模擬裝置使用的核心軟件，是中科院大氣物理研究所經過長期科研攻關，自主研發的地球系統模式，它包含大氣、海洋、陸面、植被生態、大氣化學、海洋生化、陸地生化過程7個分系統模式及其全耦合，這個較完整的地球系統模式就是地球系統數值模擬裝置的“大腦”。

例如我們要做一個區域十年以上的氣候變化研究，除了要結合大氣、海洋、陸面分系統模式，還要耦合植被生態模式。因為十年時間中，植被不斷變化，草會變成灌木，灌木可以變成森林，或者森林退化成灌木，這都會對氣候產生影響，因此我們需要研究植被生態動力學的過程，模擬植被的分布格局及其演變等。如果要模擬全球氣候變化，則需要耦合7個分系統模式甚至更多模式，從系統的角度進行地球各圈層自身演化規律及它們之間相互作用規律的研究，從而掌握地球系統變化規律，以便更科學地解決氣候和生態環境問題。

《瞭望》：目前國際上在運行的地球系統數值模擬系統情況怎樣？我們處於什麼水平？

曾慶存：美、日、歐等發達國家和地區已建有軟硬件相結合的面向地球系統的數值模擬裝置，如運行在美國“夏延”超級計算機上的地球系統模式CESM、運行在日本“京”超級計算機上的地球系統模式MIROC-ESM等。這些數值模擬裝置非常先進，例如日本依托其裝置建立了當前最高分辨率的短期氣候預測系統，使年際氣候預測水平世界領先，極大提高了其國際影響力。

我們的地球系統數值模擬裝置與國際先進水平相當。它具備地球表層全體的模擬能力，能夠使我國在此領域的研究短時間內達到國際先進水平。

為了比較和評估國際上各個地球系統模式，世界氣象組織的世界氣候研究計劃工作組提出了國際耦合模式比較計劃，該計劃每六七年進行一次，最近的一次是第六次國際耦合模式比較計劃（CMIP6），我們的地球系統模式也參加了CMIP6計劃。CMIP6包括很多試驗，既有對未來百年氣候的預估，也有對歷史氣候的模擬。未來的氣候還不知道，沒辦法驗證哪個模式更好。而對最近十年全球氣候變暖的模擬和預測看，大家預測的都差不多。

我們將來用地球系統數值模擬裝置的效果會比我們以前的預測效果好，這是可以肯定的。地球系統數值模擬裝置的大氣模式水平分辨率（實為網格距）可達25公里，海洋模式可達10公里，能夠達到世界先進水平。

如何對地球預測得更准

《瞭望》：地球系統數值模擬裝置建成後的首要任務是什麼？

曾慶存：此前我國缺乏面向地球系統專用的數值模擬裝置，使我國地球系統模式的研制和氣候變化模擬研究受到很大制約，研究結果科學支撐能力不足，導致在國際外交談判時話語權不足。

現在，我們的地球系統數值模擬裝置的專用超級計算機馬上要建好，如讓這台超級計算機發揮最大功效，我們可以補足全部該做的數值試驗，同時我們還要繼續升級地球系統模式軟件。中科院在2015年時發布的地球系統模式1.0版本只是中分辨率的。我們現在可以將模式提高為高分辨率的，即：大氣25公里，海洋10公里。這套軟件一天可以計算出地球的大氣圈、水圈、岩土圈、生物圈等多個圈層10年左右的變化。

地球系統模式軟件是複雜的巨系統模型，要多學科緊密聯系，這是大氣科學、計算科學和計算機技術融合的一個典型，目前項目組正集中精力完成新版本地球系統模式的開發。今年力爭把中國完全自主研發的新版本地球系統模式推向國際。我們要用自己的計算數據作為氣候與環境領域的談判依據，提升我國話語權。

《瞭望》：地球系統數值模擬裝置將會有哪些應用？

曾慶存：第一個應用是做好全球氣候和生態環境的模擬，也要很細致模擬我國所在區域的情況。我們也可以做更精准的年度或者跨季度甚至於季度的氣候預測，大幅提升我國應對區域自然災害和環境問題的能力。

第二是可以把裝置應用到環境的治理和改造工程或者環境規劃。現在國家高度重視環境問題，強調生態保護，地球系統數值模擬裝置的研究數據可以為中國的生態環境保護提供科學依據，助力碳達峰、碳中和。

此外，我們還能獲取地球系統各圈層的時空分布和演變的海量數據，建成國內完整數據庫，提供地球系統四維資料同化等產品以供天氣預報、氣候預測等各方面的需要。

《瞭望》：地球系統數值模擬裝置未來還有哪些發展空間？

曾慶存：地球系統數值模擬裝置非常複雜，目前已完成耦合的有7個分系統模式，但也還不能包羅自然界的所有變量，總有遺漏的自然要素。

我們還要建設三個獨立的大分系統模式，一是日地空間環境模式，這個模式以太陽大氣等觀測數據為驅動，模擬太陽風在太陽日冕到地球空間中的傳播演化過程，這也是近地空間研究和空間天氣預報業務所必不可少的；二是大陸冰蓋模式，它能夠模擬大陸冰蓋和冰川在全球氣候快速變化情況下的演變歷史和斷裂發育，並預測其發展趨勢以及對地球各個圈層的影響；三是固體地球模式，旨在建立全球多時空尺度地球動力學模式，實現對地幔對流、板塊運動、礦床和礦物形成等的模擬能力。甚至還可以利用地震波反映板塊尤其是斷裂帶的結構和變化，為“數值地震預報”提供科學基礎和算法。當然，其時間尺度比數值天氣和氣候預報要長得多，估計在50年或更長時間後，預測地震發出（在半年或一年內）和震中位置（百公里量級）是可能的。總之，要推動地球科學的理論化和數值化。

在當前的地球系統數值模擬裝置中，上面3個分系統模式是獨立發展的，未來可以實現全部10個甚至更多分系統模式的耦合，能夠更准確地預測未來100年的氣候變化、地球環境演變等重大問題。

本文來源：新華社