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我国科学家研发出新一代地球系统模式

未来气候“掐指可算”

2014-5-8 15:48:05 作者:张 晔 贾 冰

今明后3天直至未来一周,是晴是雨?温度几何?有无大风?这有何难,看看天气预报就能解决。

但是未来一个月、一年,甚至一百年会有什么重大天气气候事件发生?气候环境将有哪些显著变化?想要对此进行准确预测,其难度相当之高。

4月26日,南京信息工程大学发布了该校自主研发的地球系统模式。这是一种极为重要的气象学和地球系统科学的研究工具,不仅可以预测带来极端天气的厄尔尼诺和拉尼娜等现象,还可以预测全球气候、重大天气灾害,乃至地球环境的演变。未来数年内,我国科学家有望借助这套模式,更准确地预测中长期全球气候变化。

数千年前,古人就开始观云测天。直到现代,人类依然通过大气运动变化情况进行短期天气预报。

地球系统模式的原理和天气预报有些类似,不过要复杂得多。科学家们需要研究大气与海洋、陆面、海冰、生态等多个圈层间持续不断的水汽、能量、物质的交换过程,考虑各种复杂的物理和化学因素。

“可以这么说,对地球上各种物理、化学、生物过程考虑得越周全,气候和全球变化的预测才能越准确,这也是为何称之为‘地球系统’模式的原因。”国际著名气象专家、南京信息工程大学大气科学学院海外院长王斌教授介绍说。

但不论天气预报还是气候预测,都将对一个国家或地区的政治、经济、文化和人民生活产生直接重大的影响。

应对气候变化是当前人类共同面对的一个重大挑战。拿我国来说,一年消耗多少能源、产生多少温室气体,工业化、城市化进程等活动对气候变化产生什么影响,粮食生产与气候变化的关系如何,我们究竟有哪些权利、该承担哪些义务……面对这种复杂的综合性气候研究,地球系统模式是最先进的工具,也是最有效的科学依据。

目前,欧盟、美国、日本等主要发达国家和地区都拥有各自较为先进的地球系统模式,预测全球气候变化较为可靠,在IPCC(政府间气候变化专门委员会)评估中排名前列。但是,中国还没有在世界上叫得响的地球系统模式,亟待弥补这一短板以满足国家重大需求。

南京信息工程大学作为国内大气科学专业最齐全、研究人员最多、学科综合排名第一的高校,主动承担起这一重任。从2012年起,由王斌教授领衔,该校组织了40余人的团队,着手独立开发一种全新的地球系统模式。它耦合了世界上先进的大气、海洋、海冰和陆面模式,然后通过不断地加入中国科学家的最新研究成果,实现“中国化”。科学家们还将不断对它进行改进,力争使其在IPCC第六次评估中取得较好评价。

“这套地球系统模式在前期的试验运转中,已经准确地模拟出大多数大气海洋中的重要天气气候系统的变化特征,并与实际观测一致。”南京信息工程大学校长助理、大气科学院院长闵锦忠教授自信地告诉记者,“也就是说,它能够预测出最重要的气候信号——厄尔尼诺现象。”

在国际气象学界,评价一套地球系统模式是否可靠,主要的评价标准之一就是看它能否预测厄尔尼诺、拉尼娜等大气候事件的发生。

目前3天~7天的短期天气预报还时不时地让人欢喜让人忧,那这种中长期气候预测是如何实现的呢?其准确性究竟有多高?

闵锦忠介绍,地球系统模式的开发是一项庞大的系统工程,每前进一步都绝非易事。记者注意到,这套模式是基于当前世界上最先进的大气模式、海洋模式、陆面模式、海冰模式等进行耦合的。

“所谓耦合,是指两个或两个以上的物理系统(如大气、海洋、陆面、海冰)或运动形式间通过各种相互作用而彼此影响或联合。例如,天气预报使用的大气模式本身是可以单独运行的,但它并未考虑大气层与海洋、陆地及陆上的高原、山地、平原、森林、草原、城市等不同下垫面之间水气和热量的实际交换过程,而是假设交换是平均的、固定的。耦合的过程就是要打破这种假设,使交换根据实际情况一分一秒地累积。”闵锦忠说。

而不同模式间的耦合又会出现不同的问题,其庞杂程度超出想象。闵锦忠打了一个生动的比方:“就好比一个人头痛,病根可能不在头,必须将所有相关的环节都检查过了,才能找到真正的问题所在。”在模式的开发过程中,团队就在不停地测试、调整、修正,循着“病症”找“病因”,而后“开方抓药”。

这套模式现已完成500年的控制试验,能够较好地“重现”或“复制”过去气候的特征,包括厄尔尼诺、拉尼娜、季风的特点,模式都能够重现出来。

今后,该模式还能够模拟和预测高影响性灾害天气事件,模拟气候变化、进行季节内-年际气候预测,模拟历史气候变化以及进行未来气候变化的预估,同时达到全球20千米~30千米的较高分辨率。

但是,地球系统模式不是简单地把目前的地球状态输入计算机,就可以随时演算未来任意一天的天气情况,更无法做到百分之百准确的预测。

对此,王斌解释说,地球系统模式是能定量客观展现未来气候变化趋势的手段,尤其是对大尺度气候异常和变化的预测可信度较高。但要想达到人们的期望,把超长期的天气预报做到和短期预报那样准确和精细,还是不可能的。比如,地球气候系统有很多不可预报的随机性过程,而且它还受到太阳运行轨道、火山爆发、冰山消融等因素的影响。人们对于地球系统的运作规律还没有完全弄明白,因此对于超长期的气候预报,我们不但应预报其趋势,还应预报相应的不确定性。△

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南京信息工程大学自主开发的地球系统模式也是首个由国内高校牵头独立自主研发的新一代地球系统模式。

地球系统模式是什么?王斌教授一句话解释——“它不仅可以做气候预测,还能进行全球环境变化的预测。”大到几百年后的火山爆发、冰川融化,小到南京的一个区是否下暴雨。只要输入“指令”,地球系统模式都能“掐指”算出来。

“把全球观测到的大气、海洋、陆地的资料集中到一起,通过资料同化后,启动这个模式,它就能给出比天气预报更长的预报。”王斌解释说,气候预报的基础,是尽可能全面地收集全球资料。在电脑中输入一长串指令,按下确认键后,剩下的就是等着结果出来。

地球系统模式所做的气候预报,近的可以是未来两周、一个月或者季节内预报,“比如可以提前两周预测台风的到来,这样就能更好提高防灾减灾的能力。”另一方面,地球系统模式也能“算”出一年四季甚至几十年内的气候变化。王斌介绍,南信大版的地球系统模式,将在两年内实现这一功能。

据介绍,地球系统模式还能预测未来的地球环境,比如未来100年甚至200年内火山是否爆发、北极冰川的融化等。王斌表示,地球系统模式通过对全球环境的预测,将为人类可持续发展提供科学依据。

除了可预测的时间更远,地球系统模式正在往更精准的预报方向努力。“除了气候预报和全球环境变化评估外,地球系统模式的最终目的还包括实现局地灾害天气的研究预测。”

王斌介绍说,目前南信大地球系统模式没有正式用于预报,从模拟对比数据看,该模式在季风降水方面的预报可达世界中等程度水平。未来,南信大地球系统模式将应用到国家海洋环境预报中心和国家气候中心,发挥更大的作用。

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