为了给地球“算命”，我们建了这座大科学装置
2022/9/25 7:00:00 科学大院
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“利用‘寰’，我们可以反演地球的过去，观察地球的现在，预测地球的未来。”
演讲人：朱江 中国科学院大气物理研究所研究员
注：本次演讲举办时间为2021年
大家好，我是来自中国科学院大气物理研究所的朱江。很高兴能与大家交流和分享我们新落成的一座国家重大科技基础设施：地球系统模拟装置，以及与这个装置相关的科学问题和研究成果。
极端天气频发
先从身边发生的事说起。2021年7月20日，郑州下了一场雨，这场雨下得特别大，一个小时的降水量达到了200毫米，这是我们国家有记录以来的历史极值，是一起极端事件。
2021年7月20日郑州遭遇极端暴雨
这些年，大家可能会感觉到极端事件越来越多，甚至经常听到百年一遇、千年一遇，甚至五千年一遇。
其实，这样的极端事件不光发生在我们国家，也发生在世界上其他的国家。比如2021年6月，就是美国有记录127年以来最热的一个月。
世界范围内高温、洪水频发
那么，从数据上怎么来看这件事？下面是一些科学家根据搜集到的各种各样的观测数据画出的图。
北半球夏天陆表温度分布的变化
最左边的图是1951-1980年北半球夏天陆表温度分布的变化图。图表的横坐标表示温度，0表示平均值。比如某个地方的平均值是35度，那0就表示35度，0右边的1-4就表示比平均值多1-4度。图表的纵坐标表示特定温度出现的频率。
假定这个地方的平均温度并不是每天都是35度，有些天温度会高一些，有些天温度会低一些。我们会发现总有几天，甚至好几个夏天才会有一天特别热，比如说超过3度或者5度。我们从图中可以看到，在1951-1980年期间，实际超过3度以上的频率很小，只有0.1%。
中间的图是1990-2000年的情况。这十年间温度分布往右移了，意味着平均温度在增高。也能看出来它变扁了，说明超过3度的那块区域变大了，频率已经达到了4.7%。
最右边的图是2010-2020年的情况，我们发现最近十年温度在继续上升。如果平均温度是35度，再超过3度达到38度，我们就会感到很难受了。大家会发现，超过3度的频率已经达到了22.1%，也就是隔几天就要出现一次。这也是为什么大家现在感觉到极端事件越来越多的原因，数据也说明了这一点。
除了温度之外，我们还可以去数台风或强降雨的次数。根据中国气象局的研究，我们国家近几十年来极端的降雨、干旱，包括台风的强度都有明显的增加。
极端事件和人类活动有怎样的关系？
那么，极端事件的增加是不是全球变暖导致的呢？这是我们需要回答的一个很重要的问题。
全球平均陆地和海洋表面温度变化
我们先看看什么是全球变暖。如果看全球的平均值，就是把地球上所有表面的数据搜集起来，包括陆地和海洋，可以看到这100多年的温度实际上是在增加的，这个增加已经达到了1度左右。
那么，这是从什么时候开始呢？大约是从19世纪60年代，即工业革命以来，那时人类开始排放二氧化碳了。这又带来一个问题：这两者有没有关系？
全球平均海平面变化
与此同时，科学家还从海岛、海岸上的潮汐观测站中获取数据，以及后来又发射了很多卫星，来观测海面高度的变化。把这些数据综合起来，我们又可以画一条线来看海平面是不是在上升。大家可以看到，从上世纪初到现在，海平面上升了20厘米。
全球平均大气温室气体浓度
在海平面上升的过程中，人类的二氧化碳排放是在增加的。尤其是从工业革命以来，大量的燃煤、烧油等活动使得大气中二氧化碳浓度不断地增加。
二氧化碳是只是温室气体的一种，还有另外两种很重要的温室气体甲烷和氧化亚氮，以及更多种贡献比较小的温室气体。这些温室气体的浓度为什么会增加？现在我们基本上可以确定，它们是因为人类排放而增加的。
全球平均温室气体排放
这张图表明了这些年来温室气体的排放主要来自于燃煤、烧油发电，另外还要制造钢铁和水泥，这些方面形成了主要的部分。
排出来的温室气体并不是都留在大气中，我们也想知道有多少会被陆地吸收，以及有多少被海洋吸收。
陆地吸收很容易计算，大家可以想想，一棵树为什么能长起来？就是因为从空气中吸收了碳。所以，我们可以调查有多少棵树，以及长了多少，就可以算出陆地吸收的温室气体。我们发现，全球温室气体的排放扣掉陆地吸收的温室气体以后，基本上就可以导致全球平均大气温室气体浓度的增加。
这就引出来一个很关键的科学问题，实际上也是我们搞气侯研究的科学家几十年来要回答的首要问题：近百年来温度的增加是不是人类活动造成的？有没有办法来证明这件事呢？
最严格的证明方式就是我们重新回到过去、回到工业革命前，让我们再活一辈子或者几辈子。在这个过程中人类不排二氧化碳，不排温室气体，但其他的条件都不变，必须要一致，否则有可能是其他原因造成的温度增加。
如果重复了这个过程再观测温度，如果温度没有增加，那我们就可以判断二氧化碳等温室气体的增加是原因。
但这不可能做到，实际上研究地球科学、甚至包括天文学很多时候都会面临这样的问题，而物理和化学就可以在实验室里精确地做这样的对比实验。
数值模拟的方法怎么用？
那怎么办？我们可以先看一个视频。
视频中是我的老师曾庆存院士，他也是我们国家2019年度国家最高科技奖的获得者，他说了一个很重要的方法——数值模拟。什么是数值模拟呢？我给大家看一个动画。
这是两张云图，一张是我们用计算机模拟算出来的，另一张是由我国风云四号卫星观测的。大家能不能看出它们的区别？其实左边是我们模拟的，右边是观测到的。仔细看的话，会发现卫星的观测有日夜变化的那条明暗线。
下面左图是美国的阿波罗11号在1969年7月从月球上拍摄的地球照片。这张照片在当时很有影响，因为人类此前从来没有从月球上看到我们的家园是什么样的。但是，后来有些怀疑论者说登月计划是假的，是在演播室里造出来的。
在前几年，欧洲中期数值天气预报中心的一些科学家想了一个办法：利用当时的气象数据来重构云图。那时候还没有气象卫星，只有通过放气球测量的气压以及观测站记录的数据，再用数值模拟方法来重构。右图就是重构出来的当时地球上云的分布。
重构出来以后，他们确信阿波罗11号拍摄的照片是真的，因为这两者看起来很类似，很难造假。这也说明现在的数值模拟已经可以达到较好的准确度。
那到底什么是数值模拟呢？简单地说，数值模拟就是把人类已经知道的各种定量的规律，包括物理定律、化学定律和生物学定律，也有很多没有定律但可以进行统计的关系汇集到一起，然后建立一个数学模型。
同时，只有数学模型和公式还不行，还需要把大量的观测数据输入到数学模型里，我们才能模拟地球。观测数据包括来自于各圈层的数据，比如来自大气、海洋、陆地、卫星、飞机和雷达，还有来自海上的船等等。把这些数据输进去，我们就能够做模拟。
回到刚才那个问题，我们能不能用数值模拟的方法来证明全球变暖是人类温室气体排放导致的呢？下面这张图给出了答案。
全球表面平均温度
蓝线是我们计算得出的过去100多年来全球温度的变化情况。这个计算没有把二氧化碳的排放加进去，可以看到结果基本上没有变化，就停留在工业革命前的水平。红线是把实际的二氧化碳排放加进去后模拟出来的温度变化。黑线是我们实际观测到的温度的真实变化。
大家可以看到，在这个模拟中没有加入其他的变量，只有二氧化碳排放的变化。因此，通过这张图可以发现，二氧化碳不但是全球变暖的原因，而且几乎是最主要的原因：红线和黑线几乎都是重叠的。所以这就证明了全球变暖是人类温室气体排放导致的。
实际上还有很多类似这样的证据，例如海洋这几十年或者上百年都发生了温度的变化，这主要也是二氧化碳的增加造成的。
数值模拟几乎成了唯一的方法，来证明人为排放的二氧化碳是全球地表温度增加的主要原因。如果想否定这个观点，也得拿出类似的强有力的证据。
为实现“地球系统数值类比”，我们需要一个大科学装置
如果要做数值模拟，我们需要做一个大的科学装置。这种装置以前也有，但是随着数值模拟越来越复杂，随着研究越来越深入，需要的精度越来越高，这样的装置也变得越来越大。
我们国家最近刚建成了这样的装置：地球系统数值模拟装置，命名为“寰”。图片中展示的是它的计算机中心和硬件，有四层楼高。它大约相当于10万到20万台个人电脑，可以存储13个国家图书馆的数据。
如果走得更近一些，我们可以看到里面的主板和芯片。它泡在液体中，一发热，液体就会冒出泡泡来冷却，因此功耗很低。以前的计算机如果计算要用1度电，还得花1度电去冷却它，但现在只要花上0.2度电，这也几乎是最好的记录。
同时，这里还有个科普展厅，欢迎大家今后去参观。这个科普展厅里可以看到一个很大的地球模型，以可视化的方式展示了一些正在模拟的数据。
但这里最核心的实际上不是硬件，也不是这个大球，而是软件。现在我们使用的地球系统模式叫做中国科学院地球系统模式，是一个具有自主知识产权的模式。这个模式能做哪些事呢？给大家简单地展示一下。
大气云量
它可以模拟大气中云的变化，下不下雨就主要和云有关。如果要模拟云，当然就要模拟风和温度，所以这是一个综合的代表。
海洋温度
它还可以模拟海洋中的温度和盐流是怎么变化的。这有什么用呢？实际上用处有很多。比如两年以后日本就会排放核废水，这些核废水会往哪里漂？会不会影响到我们？它会顺着洋流走吗？这都需要我们预测。
海冰密集度
它还可以模拟海冰的变化，这是从北极的视角来看的。我们可以看到海冰也并不总是在那里，有些年会变多，有些年会变少。
海洋生产力
同时，我们还可以计算海洋中的生产力。这个生产力包含了浮游植物、浮游动物、叶绿素等能维持海洋生命循环的基本要素。
气溶胶
视频中展示的是气溶胶，这包含了人类排放的二氧化碳等温室其他、PM2.5，还有进入大气的从沙漠里扬起来的沙尘等。
植被森林覆盖度
我们还可以模拟森林、树木、灌木和草地的变化等等。当温度更适合，降雨更多，那个地方就会长出树来，或者从沙漠变成灌木，或者从灌木变成森林。
此外，我们还可以计算地球上很多相关的量，比如蒸散发、土壤温度等。
峰值计算能力 15PF，存储总容量达 80PB
目前“寰”在硬件上具有一定的先进性。上面图表的横坐标是年份，纵坐标是峰值计算能力，可以看这些年各国的峰值计算能力都在增加。图中的红点代表了“寰”，目前它是领先的。
“寰”这样的一个大科学装置，得有自己的独特性。这个独特性在于以前大装置都是以硬件为核心，而“寰”的灵魂是软件。同时，这个软件还是自主的，硬件的主要核心CPU和加速芯片也都是自主的。
如何用“寰”推演未来？
接下来，我用几个简单的例子和大家分享一下如何用“寰”来推演未来。
第一个例子是去年12月份的一次寒潮，那次寒潮贯穿了整个中国。
左上这张以蓝色为主的图是观测图。其他几张图是世界上美国、日本、欧洲等提前一个月的预报结果。从图中可以看出来，他们的图没有那么蓝，还有红色，也就说明并没有预报出这次寒潮。
去年我们也用“寰”做了一个预报，上图就是我们预报的结果。这说明“寰”对我们的日常生活有用，能提早告诉我们一些未来的变化。
这是短期的应用，我们有时候还要预测更长远的未来，尤其是大家想知道本世纪末会是什么样。那怎么推演未来呢？那就要用到二氧化碳，把今后二氧化碳会怎么排放输入进去？
大气中温室气体浓度的预期变化
实际上，科学家们已经设想了几种排放情景。一种情景就是不加任何限制，像图里的绿线一路上升，大家随便排放二氧化碳，想怎么排就怎么排。
还有一种情景是最底下各方极其努力的黑线，大家特别克制，和现在相比二氧化碳几乎不再增加了，但这个可能性也很小。
蓝线和粉线代表着另外两种介于两者之间的可能。因此，我们需要看看这些方案的结果会是怎么样的。
“寰”最新推演的未来温度变化
这是我们最新推演的结果。只有最下面那个最努力的方案，就是各国政府极其严格地控制二氧化碳的排放，才会让我们到本世纪末温度上升不超过两度，即巴黎协议规定的温度控制线。而剩下的方案都会超过。
因此，我们和世界上很多国家都制定了碳达峰、碳中和的策略，让二氧化碳的排放不一直升上去，而要降下来的策略。
“寰”最新推演的未来降水变化
同时，我们也想知道未来的降水会不会发生变化。在不同的排放情景下，它也会发生变化，大家可以看到大部分情况是增加的。
也可以进一步看看空间的分布，哪些地方增加了多少，哪些地方减少了多少。这会影响我们的农业布局，可能原来种小麦的地方今后适合种水稻了。
“寰”最新推演的未来海平面变化
同时，未来海平面也会发生一些变化。
“寰”最新推演的未来北极海冰变化
今后北极海冰也会发生这种情况。图中1.0的这条虚线代表在夏天北冰洋的海冰会彻底化光。根据“寰”的预测，无论如何在2040-2060年间都会出现这种情况。北极熊将没有地方可待了。
“寰”最新推演的未来沙尘暴变化
当然，我们还可以推演其他的变化，比如沙尘暴会怎么变。
总而言之，利用‘寰’，我们可以反演地球的过去，观察地球的现在，预测地球的未来。
谢谢大家。
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