雖然給整個地球做實(shí)驗(yàn)不現(xiàn)實(shí)，但科學(xué)家仍有辦法為地球把脈。地球上氣態(tài)的空氣、液態(tài)的江河湖海、固態(tài)的山石冰雪、不斷演化的生命體……這些紛繁萬物都可以被科學(xué)家裝進(jìn)“數(shù)值實(shí)驗(yàn)室”，用來模擬地球的現(xiàn)狀，預(yù)測未來的氣候變化。

6月23日，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“地球系統(tǒng)數(shù)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具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地球系統(tǒng)模擬大科學(xué)裝置。2018年經(jīng)國家發(fā)改委批復(fù)，項(xiàng)目全面開工建設(shè)。

新裝置的核心軟件自主研發(fā)

地球系統(tǒng)模擬裝置又稱地球模擬實(shí)驗(yàn)室，簡而言之，就是對地球系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，即以地球系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用描述地球系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生命過程及其演化的規(guī)律在超級計(jì)算機(jī)上進(jìn)行大規(guī)模科學(xué)計(jì)算，科學(xué)家們由此得以重現(xiàn)地球的過去、模擬地球的現(xiàn)在、預(yù)測地球的未來。

地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置是我國首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)，以地球系統(tǒng)各圈層數(shù)值模擬軟件為核心，軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，規(guī)模及綜合技術(shù)水平位于世界前列的專用地球系統(tǒng)數(shù)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)過長期科研攻關(guān)自主研發(fā)的地球系統(tǒng)模式，能夠模擬大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈、生物圈的演變規(guī)律。

作為國家綜合國力的體現(xiàn)，各國科學(xué)家都在積極研發(fā)自己的數(shù)值模式。例如，正在進(jìn)行中的第六次國際耦合模式比較計(jì)劃，就有來自全球33家機(jī)構(gòu)的約112個氣候模式版本注冊參加，其數(shù)量為歷次之最。

雖然目前國際上已有如此多的數(shù)值模式，但它們絕大多數(shù)仍是氣候系統(tǒng)模式，僅有美國、歐洲、日本、中國等少數(shù)國家和地區(qū)提交了地球系統(tǒng)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(tǒng)模式CAS-ESM2.0。值得一提的是，CAS-ESM正是地球模擬實(shí)驗(yàn)室的核心模式軟件。

“我國地球模擬實(shí)驗(yàn)室的建成將服務(wù)于應(yīng)對氣候變化、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、雙碳愿景目標(biāo)、防災(zāi)減災(zāi)等國家重大需求，能夠?yàn)閲H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曹軍驥說。

為實(shí)現(xiàn)碳中和提供科學(xué)支撐

當(dāng)前，應(yīng)對氣候變化與實(shí)現(xiàn)碳中和，是世界各國所面臨的共同問題，也是最為復(fù)雜的多邊外交談判議題之一。一些發(fā)達(dá)國家已建成專門的地球模擬裝置，從而在全球氣候和環(huán)境變化問題的外交談判中占據(jù)主導(dǎo)地位。

如今，我國面向地球系統(tǒng)專用數(shù)值模擬裝置的建成將有利于扭轉(zhuǎn)這一局面。“我們要用自己的計(jì)算數(shù)據(jù)作為氣候與環(huán)境領(lǐng)域談判的依據(jù)，提升我國的國際話語權(quán)。”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。

曹軍驥表示，新落成啟用的地球模擬實(shí)驗(yàn)室整體性能與國際先進(jìn)水平相當(dāng)，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(tǒng)的各種過程，特別是全球生態(tài)和生物地球化學(xué)過程及其與氣候系統(tǒng)的相互作用，并在此基礎(chǔ)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、未來升溫預(yù)估提供有力的模擬支撐，助力碳達(dá)峰碳中和愿景目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

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

因此，地球模擬實(shí)驗(yàn)室的落成和啟用將為實(shí)現(xiàn)碳中和提供強(qiáng)有力的科技支撐。

將地球搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室需多學(xué)科融合

為什么科學(xué)家要把地球搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室?此事說來話長。

20世紀(jì)60年代，國際科學(xué)界提出地球科學(xué)應(yīng)該怎樣發(fā)展的問題。當(dāng)時世界上有兩種科學(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(yàn)去驗(yàn)證，驗(yàn)證正確了才是可靠的理論;另一種是實(shí)驗(yàn)分析。

但是，對于地球科學(xué)而言，做實(shí)驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的。做關(guān)于地球的實(shí)驗(yàn)，需要滿足的條件太多，沒辦法保證實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和真實(shí)環(huán)境全部符合。此外，做實(shí)驗(yàn)有時候要破壞一個“環(huán)境”，像生物科學(xué)可通過解剖來實(shí)現(xiàn)，但對地球卻無法開展類似實(shí)驗(yàn)，因?yàn)榈厍颦h(huán)境不容破壞。

當(dāng)時，正值電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)了，于是國際上提出了第三種科學(xué)研究的辦法，叫數(shù)值模擬，或稱數(shù)值試驗(yàn)。“這一方法簡單來說，就是提出一個理論后，要驗(yàn)證這個理論對不對，就需要建立數(shù)學(xué)模型并利用電子計(jì)算機(jī)求解，把經(jīng)過理論模型計(jì)算后的數(shù)值和實(shí)際對比，來證明理論預(yù)測是不是和實(shí)際的一致。”曹軍驥說，如果這個數(shù)學(xué)模型與實(shí)際相符，就可用來做模擬實(shí)驗(yàn)。

全球環(huán)境變化既是科學(xué)問題，更是國際氣候環(huán)境外交的核心問題之一，關(guān)乎國家經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。這要求科學(xué)研究必須突破傳統(tǒng)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(tǒng)的觀點(diǎn)和方法將地球各圈層作為統(tǒng)一整體。“地球系統(tǒng)模式軟件是復(fù)雜的巨系統(tǒng)模型，需要多學(xué)科緊密聯(lián)系，這是大氣科學(xué)、計(jì)算科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)融合的一個典型。”曹軍驥說。

關(guān)鍵詞： 地球系統(tǒng) 大科學(xué)裝置 地球把脈 實(shí)驗(yàn)室