地球系統(tǒng)模式的中國道路
——記清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心團(tuán)隊(duì)
來源：中國科學(xué)報(bào) 2013-9-19 彭科峰 孫愛民
金秋九月，是收獲的季節(jié)。對(duì)于年輕的清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心團(tuán)隊(duì)來說，一連串的好消息讓他們?cè)谝环胖蠼K于開始品嘗到成功的喜悅。
不久前，法國學(xué)者在《氣候動(dòng)力學(xué)》雜志上發(fā)文表示，諸多CMIP5（第五次階段耦合模式比較計(jì)劃試驗(yàn)）模式中，清華大學(xué)參與研發(fā)的FGOALS-g2模式對(duì)厄爾尼諾特征及其大氣反饋的模擬能力是最好的。
此前不久，一篇發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的德國學(xué)者的論文，在采用水球試驗(yàn)結(jié)果研究云和降水對(duì)變暖的響應(yīng)時(shí)，從57個(gè)CMIP5模式中同樣“看上”了FGOALS-g2等四個(gè)模式。
消息傳來，地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心的團(tuán)隊(duì)成員們備受鼓舞。國際同行的認(rèn)可，讓他們感到之前在地球系統(tǒng)模式研發(fā)方面的努力沒有白費(fèi)。
近年來，該中心以國家需求為己任，初步構(gòu)建了一支多學(xué)科、跨領(lǐng)域的模式研究團(tuán)隊(duì)，取得了一系列深受國際好評(píng)的成果，成功走出了一條地球系統(tǒng)模式的中國道路。
為何要發(fā)展地球系統(tǒng)模式
中國幅員遼闊，有著復(fù)雜的地理環(huán)境和多變的氣候，旱澇、泥石流等自然災(zāi)害和環(huán)境事故頻發(fā)。數(shù)據(jù)顯示，每年因氣候變化和氣候?yàn)?zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2000億元。因此，氣候變化研究，或者說地球系統(tǒng)模式研究，無疑具有重要的社會(huì)、政治和經(jīng)濟(jì)意義。
地球系統(tǒng)模式，正是定量描述地球系統(tǒng)各組成部分性狀及其相互作用的數(shù)學(xué)物理模型。它基于地球系統(tǒng)中的動(dòng)力、物理、化學(xué)和生物過程建立起來的數(shù)學(xué)方程組，通過高性能計(jì)算技術(shù)與方法進(jìn)行數(shù)值求解，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球系統(tǒng)各種復(fù)雜行為的模擬與預(yù)測(cè)。
“政府業(yè)務(wù)部門可以運(yùn)用該模式系統(tǒng)預(yù)測(cè)氣候異常，如降水、厄爾尼諾；也可以用于跨年代的氣候變化預(yù)估，服務(wù)于國家的中長期規(guī)劃編制以及應(yīng)對(duì)氣候變化政策措施的制定。”清華大學(xué)教授羅勇向《中國科學(xué)報(bào)》記者介紹說。
國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）顧問組組長、中科院院士徐冠華告訴記者，目前我國正在積極參與全球溫室氣體減排的談判，但由于在地球系統(tǒng)科學(xué)方面的研究還相對(duì)比較薄弱，中國在有關(guān)談判上“缺失科學(xué)話語權(quán)”。
他還強(qiáng)調(diào)，一個(gè)國家的計(jì)算能力，在很大程度上決定了它在地球系統(tǒng)模式研究領(lǐng)域的發(fā)言權(quán)。而在全球氣候變化研究中，對(duì)地球系統(tǒng)的模擬是一大瓶頸問題。
毫無疑問，目前在這一研究領(lǐng)域，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心已經(jīng)初步取得了可喜的成就。
為什么是清華大學(xué)
為什么是清華大學(xué)？為什么是地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心？答案其實(shí)很簡單，它已建立起一支令人稱羨的模式團(tuán)隊(duì)。
清華大學(xué)的地學(xué)研究由來已久。1929年，清華地學(xué)系成立，翁文灝、竺可楨、葉篤正等一批人才相繼涌現(xiàn)。1952年，高校院系大調(diào)整，地學(xué)系調(diào)出。自此，清華地學(xué)學(xué)科發(fā)展中斷半個(gè)世紀(jì)。此后，恢復(fù)地學(xué)一直成為校方及老一輩清華地學(xué)人的夢(mèng)想。
2009年，地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心應(yīng)運(yùn)而生，地學(xué)在清華復(fù)生。徐冠華出任科學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主任委員，中科院院士陳宜瑜、美國科學(xué)院和工程院院士羅伯特•迪金森出任副主任委員。美國國家科學(xué)院院長拉爾夫•賽瑟羅恩，中科院院士丁仲禮、安芷生、吳國雄等大師云集。
地球系統(tǒng)模式的構(gòu)建，離不開高性能計(jì)算。清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心與計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，結(jié)合環(huán)境、水利、能源與數(shù)學(xué)等學(xué)科，成立了地球系統(tǒng)數(shù)值模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，由清華大學(xué)教授楊廣文擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室主任。來自高性能計(jì)算領(lǐng)域的優(yōu)秀人才，在FGOALS-g2的并行優(yōu)化、耦合集成、CMIP5試驗(yàn)和模式輸出后處理等方面發(fā)揮了關(guān)鍵性作用，充分體現(xiàn)了學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)。
“我們的近期目標(biāo)，是要通過自己的研究，應(yīng)對(duì)全球氣候變化問題。”地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心副研究員武海平如是說。
中心構(gòu)建了基于百萬億次的高性能計(jì)算機(jī)及部分模式軟件與數(shù)據(jù)的地球系統(tǒng)科學(xué)研究平臺(tái)，面向全社會(huì)開放，并支持資源與數(shù)據(jù)共享。在引才方面，中心聘請(qǐng)了一大批國內(nèi)外一流模式專家，迅速組建了一支模式團(tuán)隊(duì)。
中心的模式團(tuán)隊(duì)成立伊始，在高效并行計(jì)算、耦合技術(shù)、數(shù)值方法和物理過程等方面即展現(xiàn)出強(qiáng)大的活力，并在與中科院大氣物理所LASG團(tuán)隊(duì)的合作中不斷積累經(jīng)驗(yàn)。他們自主研發(fā)了我國第一個(gè)耦合器，并建立第一個(gè)基于自主研發(fā)耦合器的耦合模式；在海洋環(huán)流模式和海冰模式的發(fā)展方面取得重要進(jìn)展，發(fā)展了兩個(gè)包括北極在內(nèi)的、真正的全球高分辨率海洋環(huán)流模式版本。
如今，這支團(tuán)隊(duì)在大氣環(huán)流模式、海洋環(huán)流模式、海冰模式、碳循環(huán)模式、區(qū)域氣候模式以及耦合集成等方面均擁有一大批杰出人才。
武海平還介紹說，這支團(tuán)隊(duì)在FGOALS-g2的發(fā)展和優(yōu)化以及完成基于該模式的CMIP5試驗(yàn)中，發(fā)揮了重要作用。
“我們對(duì)該模式最費(fèi)時(shí)的分量模式——大氣分量模式進(jìn)行了并行優(yōu)化，提高了模式的運(yùn)行速度。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)并改正了試驗(yàn)所用的耦合器存在的計(jì)算不確定性問題，提升了模式的性能。”武海平說。
羅勇告訴記者，政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）于2010年正式啟動(dòng)第五次氣候變化科學(xué)評(píng)估報(bào)告編寫階段的工作。此后，國際耦合模式比較計(jì)劃（CMIP）為IPCC組織了系列氣候模擬和預(yù)測(cè)預(yù)估試驗(yàn)。在世界各國提交的數(shù)十個(gè)地球系統(tǒng)模式中，他們選擇了清華大學(xué)參與研發(fā)的FGOALS-g2等五個(gè)中國模式的模擬與預(yù)估結(jié)果作為報(bào)告參考的依據(jù)之一。
CMIP的目的是聯(lián)合全球多個(gè)地球系統(tǒng)模式，來模擬大氣圈、水圈等氣候系統(tǒng)的變化。來自眾多國家的多個(gè)模式參加比較試驗(yàn)，哪個(gè)模式的模擬科學(xué)、合理，IPCC在報(bào)告中便會(huì)引用哪個(gè)模式的數(shù)據(jù)。
“IPCC報(bào)告引用、使用我們的地球系統(tǒng)模式所進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果，包括對(duì)過去氣候變化的模擬、對(duì)未來氣候變化的預(yù)估，無疑是對(duì)我們工作的肯定。”羅勇說。
另外，清華大學(xué)的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)“探索100”也為該模式進(jìn)行CMIP5試驗(yàn)提供了全部的計(jì)算與存儲(chǔ)資源，用時(shí)5個(gè)多月，順利保障了主要調(diào)試和最終所有試驗(yàn)的完成。
未來將走向何方
在專家們看來，地球系統(tǒng)模式的發(fā)展水平，已成為衡量一個(gè)國家綜合科技實(shí)力及核心競爭力的重要標(biāo)志之一。加快發(fā)展我國自己的地球系統(tǒng)模式，是應(yīng)對(duì)全球變化挑戰(zhàn)、環(huán)境治理和防災(zāi)減災(zāi)的迫切需求。
目前，在世界范圍內(nèi)，已經(jīng)有70多篇論文引用了清華大學(xué)與中科院大氣所聯(lián)合開發(fā)的氣候系統(tǒng)模式。
外界的肯定固然可喜，然而清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心模式團(tuán)隊(duì)未來將走向何方，能否為國家發(fā)揮更大作用？
羅勇等均認(rèn)為，他們將著重發(fā)展高分辨率的聯(lián)合地球系統(tǒng)模式，力爭在模式的復(fù)雜程度和模擬性能上有所突破。“高分辨率和高復(fù)雜性，是當(dāng)前和未來地球系統(tǒng)模式發(fā)展的兩大方向。我們現(xiàn)在研發(fā)的這個(gè)模式，在這方面還有待提高。”
武海平介紹說，未來升級(jí)版的地球系統(tǒng)模式，將具有大氣、海洋、海冰、陸面、大氣化學(xué)、海洋生物、地球化學(xué)和陸面生態(tài)等分量模式或過程，同時(shí)具備面向耦合模式的同化系統(tǒng)和區(qū)域模式嵌套功能，“我們自主研發(fā)的這一模式，有望在東亞區(qū)域氣候模擬方面優(yōu)于國外的同類模式”。
楊廣文告訴記者：“模式的分辨率越高，計(jì)算量就越大，我們將長期依托清華大學(xué)雄厚的高性能計(jì)算實(shí)力，對(duì)模式進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，發(fā)展新的地球系統(tǒng)模式。”
羅勇向記者進(jìn)一步展望了這套模式的威力與前景：“通過它，我們可以預(yù)估未來幾十年、上百年的氣候變化情況。在專業(yè)術(shù)語中，我們不用‘預(yù)測(cè)’，而是‘預(yù)估’，這是基于對(duì)未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步、氣候變化政策以及人口的變化等社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件進(jìn)行的估計(jì)。這種預(yù)估在空間與時(shí)間上是大尺度的，對(duì)未來的預(yù)估強(qiáng)調(diào)氣候長期變化的趨勢(shì)。”
“我們的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)就此進(jìn)行了超前部署，預(yù)計(jì)3年內(nèi)將模式進(jìn)一步完善，爭取在第六次耦合模式比較計(jì)劃中讓國外的同行刮目相看。”羅勇說。
徐冠華則對(duì)這支年輕的團(tuán)隊(duì)寄托了更多的期望：“我們既要發(fā)展地球系統(tǒng)模式，又要發(fā)展地球系統(tǒng)科學(xué)，通過我們的新認(rèn)識(shí)，為國家和全人類解決全球變化問題作出新貢獻(xiàn)。”
