雖然給整個地球做實驗不現(xiàn)實，但科學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家裝進“數(shù)值實驗室”，用來模擬地球的現(xiàn)狀，預測未來的氣候變化。

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)模擬大科學裝置。2018年經(jīng)國家發(fā)改委批復，項目全面開工建設(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驗室，簡而言之，就是對地球系統(tǒng)進行數(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、化學和生命過程及其演化的規(guī)律在超級計算機上進行大規(guī)?？茖W計算，科學家們由此得以重現(xiàn)地球的過去、模擬地球的現(xiàn)在、預測地球的未來。

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，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)，各國科學家都在積極研發(fā)自己的數(shù)值模式。例如，正在進行中的第六次國際耦合模式比較計劃，就有來自全球33家機構(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正是地球模擬實驗室的核心模式軟件。

“我國地球模擬實驗室的建成將服務于應對氣候變化、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、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支撐。”中科院大氣物理研究所所長曹軍驥說。

為實現(xiàn)碳中和提供科學支撐

當前，應對氣候變化與實現(xiàn)碳中和，是世界各國所面臨的共同問題，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)。”中國科學院院士、國家最高科學技術(shù)獎得主曾慶存說。

曹軍驥表示，新落成啟用的地球模擬實驗室整體性能與國際先進水平相當，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(tǒng)的各種過程，特別是全球生態(tài)和生物地球化學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、未來升溫預估提供有力的模擬支撐，助力碳達峰碳中和愿景目標的實現(xiàn)。

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

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

將地球搬進實驗室需多學科融合

為什么科學家要把地球搬進實驗室?此事說來話長。

20世紀60年代，國際科學界提出地球科學應該怎樣發(fā)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，理論分析后再用實驗去驗證，驗證正確了才是可靠的理論;另一種是實驗分析。

但是，對于地球科學而言，做實驗是不現(xiàn)實的。做關(guān)于地球的實驗，需要滿足的條件太多，沒辦法保證實驗室環(huán)境和真實環(huán)境全部符合。此外，做實驗有時候要破壞一個“環(huán)境”，像生物科學可通過解剖來實現(xiàn)，但對地球卻無法開展類似實驗，因為地球環(huán)境不容破壞。

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

全球環(huán)境變化既是科學問題，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)濟社會可持續(xù)發(fā)展。這要求科學研究必須突破傳統(tǒng)地學各分支學科分別進行研究的方法的局限性，而要用系統(tǒng)的觀點和方法將地球各圈層作為統(tǒng)一整體。“地球系統(tǒng)模式軟件是復雜的巨系統(tǒng)模型，需要多學科緊密聯(lián)系，這是大氣科學、計算科學和計算機技術(shù)融合的一個典型。”曹軍驥說。

關(guān)鍵詞： 地球系統(tǒng) 大科學裝置 地球把脈 實驗室