地球系统概念模式

地球系统概念模式2022162202吴友银地球系统模式是理解过去气候与环境演化机理、预估将来潜在全球变化情景的重要工具。近百年来，全球气候正经受一次以变暖为主要特征的显著变化，对生态和坏境产生了严峻影响，如海平面提升、冰川溶化退缩、冻土面积削减、湖泊收缩、河流径流量下降、流程缩短或断流、泥石流和滑坡发生频次增加、沙漠化不断加剧。为了防止生态环境的进一步恶化，削减天气、气候灾难的损失，必需深化讨论全球变化的机制和缘由，并猜测将来的变化趋势，以便制订应对措施，而这必需从了解各圈层之间繁复的相互作用动身。因此，耦合各圈层的地球系统模式就成了全球变化讨论的最重要的，不行替代的讨论工具之什么是地球系统模式?到目前为止，国际上并没有给出权威和明确的定义。这一名字是在进入21世纪后随着地球科学各分支学科的相互渗透与渐渐融合、进而明确提出地球系统的概念后产生的。由于地球系统把大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈作为一个相互作用的整体来考虑问题,因此原有的讨论方法和讨论手段已经不能完全适应地球系统科学讨论的需要。为了讨论各圈层之间的相互作用这一地球系统演化的重要特征和地球系统科学的关键科学问题，进展能够反映地球各圈层之间相互作用的数值模式是地球系统科学讨论的迫切需求。而这样的数值模式就是我们所理解的地球系统模式,它是基于地球系统中的动力、物理、化学和生物过程建立起来的数学方程组（包括动力学方程组和参数化方案）来确定其各个部分（大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈）的性状，由此构成地球系统的数学物理模型。地球系统模式的进展可粗略地划分为3个阶段，即基础阶段、过渡阶段与成型阶段。基础阶段即目前以地球流体（大气、海洋）为主体的物理气候系统模式阶段，其中的固体地球部分只考虑了地球表层的陆面物理过程。过渡阶段即将来在物理气候系统模式的基础上考虑大气化学过程、生物地球化学过程（包括陆地生物化学过程和海洋生物化学过程）和人文过程的地球气候系统模式阶段，模式将具备对碳、氮等循环过程的定量描述力量,但物理气候系统模式的应用、评估、改进和完善仍旧是这个阶段的重点之一。成型阶段即在地球气候系统模式的基础上进一步考虑其与固体地球（如地球板块移动及其引发的地形变化、地震、火山爆发等）和空间天气相互作用的相对完整的数值模式阶段，即所谓的地球系统模式阶段。地球系统模式的进展可粗略地划分为3个阶段，即基础阶段、过渡阶段与成型阶段。基础阶段即目前以地球流体（大气、海洋）为主体的物理气候系统模式阶段，其中的固体地球部分只考虑了地球表层的陆面物理过程。过渡阶段即将来在物理气候系统模式的基础上考虑大气化学过程、生物地球化学过程（包括陆地生物化学过程和海洋生物化学过程）和人文过程的地球气候系统模式阶段模式将具备对碳、氮等循环过程的定量描述力量,但物理气候系统模式的应用、评估、改进和完善仍旧是这个阶段的重点之一。成型阶段即在地球气候系统模式的基础上进一步考虑其与固体地球（如地球板块移动及其引发的地形变化、地震、火山爆发等）和空间天气相互作用的相对完整的数值模式阶段，即所谓的地球系统模式阶段。美国我国大气讨论中心（NCAR）在美国我国科学基金会和能源部的支持下于2000年提出的共同体气候系统模式进展方案（CCSM,2001），组建了一个由固定科学家和支撑人员组成的、美国各主要高校和讨论单位的科学家都参与的讨论共同体，于2004年建成共同体气候系统模式（CCSM）,并用于政府间气候变化委员会（IPCC）第四次评估报告（AR4）的气候变化猜测试验。在CCSM讨论团队中，有一个地球生物化学工作组始终在进行生物地球化学方面特殊是碳循环方面的讨论,他们的使命并不在于当时的CCSM模式，而是瞄准长远的目标。值得一提的是，美国在我国宇航局、国防部和我国科学基金会的共同资助下，于2001年同时启动了地球系统模拟框架（ESMF,2001）方案，有19个实力雄厚的讨论机构投入到了这个方案的讨论与实施中。欧盟于2000年提出了进展欧洲地球系统模拟网络方案，由下属地球系统模拟集成(英文缩写PRISM)和气候资料存储与分发两个方案组成。地球系统模拟集成方案(PRISM)0也简称为棱镜方案，它是2000年应欧洲CLIVAR委员会(Eurocl-ivar)的提议而建立的合作讨论方案，并于2001年12月启动。来自欧洲各国的22个讨论机构投入了该方案的讨论和实施。方案的目标是进展一套敏捷、高效、便捷和对用户友好的地球系统模拟和气候猜测系统，包括大气模式、大气化学模式、陆面模式、海冰模式、海洋生物地球化学模式、区域气候模式，它们通过耦合器相联接,构成一个完整的模式系统。这就是一个模块化地球气候系统模式的典型框架除美欧之外,日本在科学技术厅、日本原子能讨论所、日本我国空间进展署、日本海洋科学技术中心、物理化学讨论所等单位支持下，更早提出了两大气候讨论方案。一是从1997年开头的/全球变化前沿讨论系统(FRSGC)O方案，目标是猜测特别气候、全球变温和生态破坏等灾难。与上述方案同步还启动了地球模拟器(EarthSimulator)方案，该方案一方面于2001年研制胜利当时世界上最快的、以地球模拟器命名的超级计算机，2002年正式投入使用;另一方面重点支持进展超高辨别率的气候系统模式，在该超级计算机上再现真实的地球并猜测将来的变化。中国的模式进呈现状中国科学家已经在地球系统模式领域做了大量工作，特殊是通过近30年的努力，在大气环流模式、海洋环流模式、陆面过程模式的进展及其耦合等领域取得了令人瞩目的成果。中国早期的气候模式研发工作几乎与发达我国同步。早在20世纪80年月,中国气象学家就熟悉到了数值模拟在气候变化讨论中的重要性，并开头了气候数值模式的进展(钱永甫，1985,Zeng,etl989)o通过20多年的努力，从最基本的气候模式-大气环流模式(Zeng,etal,1989)、海洋环流模式(Zhang,etal,1989),经受海-气耦合模式后(Zhang,etal,1992;Guo,etal.1996),进展到后来的耦合气候系统模式(吴国雄等,1997;周天军等,2005c;Zhang,etal,2000;Yu,etal,2002;Yu,etal,2022;Zhou,etal,2022),这是中国地球系统模式的雏形。在进展和应用气候系统模式的同时，中国学者也充分熟悉到气候系统模式的进展是一个巨大的工程，需要各相关学科讨论人员的联合、参与和支持。在我国自然科学基金委、中国科学院和中国气象局等部门的推动下，中国科学院大气物理讨论所大气科学和地球流体力学数值模拟我国重点试验室(LASG)联合我国气候中心、中国气象科学讨论院、南京高校大气科学系等单位，经过半年多的反复研讨，于2002年1月首次提出了/全球气候系统模式联合讨论方案0(2001)2005详见http:M/)的征求意见稿，并在此基础上,LASG帮助我国自然科学基金委于同一年起草了/中国应加速进展自己的气候系统模式0的建议书，并通过基金委2002年第8期简报上报到了国务院彳导到我国领导人的重视。后来,在我国自然科学基金委、中国科学院和中国科学技术部项目的联合支持下LASG于2004年5月建成了国内基于耦合器技术的模块化物理气候系统模式FGOALS(FlexibleGlobalOcean-Atmosphere-LandSurfaceSystemMod-el)(周天军等,2005d;Yu,etal,2022)的1.0版本。与此同时，我国气候中心在中国气象局的支持下于同年也建成了另一个物理气候系统模式BCC-CMl(BeijingClimateCenter-ClimateModel,Version1)(丁一汇等,2002)o这两个模式均参与IPCCAR4的气