把地球搬進實驗室?我國首個地球系統模擬大科學裝置啟用
2021年06月23日13:54

  原標題:把地球搬進實驗室?我國首個地球系統模擬大科學裝置啟用!

  來源:科技日報

  ◎ 科技日報記者 陸成寬

  雖然給整個地球做實驗不現實,但科學家仍有辦法為地球把脈。地球上的空氣、江河湖海、山石冰雪、生命體……這些紛繁萬物都可以被科學家裝進“數值實驗室”,用來模擬地球的現狀,預測未來的氣候變化。

  6月23日,國家重大科技基礎設施“地球系統數值模擬裝置”在北京懷柔科學城落成啟用。這是我國研製成功的首個具有自主知識產權的地球系統模擬大科學裝置。

  新裝置的核心軟件自主研發

  地球系統模擬裝置,又稱地球模擬實驗室,簡而言之,就是對地球系統進行數值模擬,即以地球系統觀測數據為基礎,利用描述地球系統的物理、化學和生命過程及其演化的規律在超級計算機上進行大規模科學計算,科學家們由此得以重現地球的過去、模擬地球的現在、預測地球的未來。

  地球系統數值模擬裝置是我國首個具有自主知識產權,以地球系統各圈層數值模擬軟件為核心,軟、硬件協同設計,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。其核心軟件是中國科學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,能夠模擬大氣圈、水圈、冰凍圈、岩石圈、生物圈的演變規律。

  作為國家綜合國力的體現,各國科學家都在積極研發自己的數值模式。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家機構的約112個氣候模式版本註冊參加,其數量為曆次之最。

  雖然目前國際上已有如此多的數值模式,但它們絕大多數仍是氣候系統模式,僅有美國、歐洲、日本、中國等少數國家和地區提交了地球系統模式,其中就包括了由中科院大氣物理研究所牽頭研發的地球系統模式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於應對氣候變化、生態環境建設、雙碳願景目標、防災減災等國家重大需求,能夠為國際氣候與環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。

  為碳中和實現提供科學支撐

  當前,氣候變化應對與碳中和實現,是世界各國所面臨的共同問題,也是最為複雜的多邊外交談判議題之一。一些發達國家已建成專門的地球模擬裝置,從而在全球氣候和環境變化問題的外交談判中佔據主導地位。

  如今,我國面向地球系統專用數值模擬裝置的建成將有利於扭轉這一局面。“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,提升我國的國際話語權。”中國科學院院士、國家最高科學技術獎得主曾慶存說。

  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的各種過程,特別是全球生態和生物地球化學過程及其與氣候系統的相互作用,並在此基礎上建立起“生態-氣溫-二氧化碳濃度-碳排放量”的清晰關係,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、碳中和願景目標的實現。

  比如,陸地系統作為全球最重要的碳彙之一,在助力碳中和目標實現的過程中,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佈和碳通量進行準確的模擬,從而更準確地把握陸地生態系統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

  那麼,為什麼科學家要把地球搬進實驗室?此事說來話長。

  上世紀60年代,國際科學界提出地球科學應該怎樣發展的問題。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,理論分析後再用實驗去驗證,驗證正確了才是可靠的理論;另一種是實驗分析。

  但是,對於地球科學而言,做實驗是不現實的。做關於地球的實驗,需要滿足的條件太多,沒辦法保證實驗室環境和真實環境全部符合。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,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。”曹軍驥說,如果這個數學模型與實際相符,就可用來做模擬實驗。

  全球環境變化既是科學問題,更是國際氣候環境外交的核心問題之一,關乎國家經濟社會可持續發展。這要求科學研究必須突破傳統地學各分支學科分別進行研究的方法的局限性,而要用系統的觀點和方法將地球各圈層作為統一整體。“地球系統模式軟件是複雜的巨系統模型,需要多學科緊密聯繫,這是大氣科學、計算科學和計算機技術融合的一個典型。”曹軍驥說道。

  文中圖片由中科院大氣所提供

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