我们如何预估未来气候变化？<高中生能看懂的极简科普>

当朋友得知我的研究方向是气候变化时，总会一本正经的问我：明天下不下雨。每次我都要解释好一会儿。所以，开篇先温习一下天气与气候的概念。

如表1，天气是一个较短时间尺度的，几秒、几分钟、几小时、1天、2天等的大气状态，时时刻刻都在变化，比如刮风、下雨、阴天等。而气候是一个相对较长时间尺度的大气平均状态。比如，华北地区冬季寒冷，夏季高温。

可见，天气和气候是有区别的。本文讲述的是未来的全球气候变化，而非天气变化。

表1 天气与气候的概念对比*

*摘自人教版七年级地理教材。

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气候系统与地球系统

地球系统模式是理解过去和现代气候变化规律与机理的手段，同时也是预估未来气候变化的强大工具。在认识地球系统模式之前，先来认识一下什么是气候系统和地球系统。

1974年学界首次提出了“气候系统（Climate System）”的概念，气候系统由岩石圈、水圈、大气圈、生物圈、冰冻圈5个圈层构成（人教版高中地理教材中未提及冰冻圈，在此解释一下，冰冻圈：指地球表层连续分布并具有一定厚度的负温圈层，亦称冰雪圈、冰圈或冷圈。包括：冰川（含冰盖和冰帽）、河冰、湖冰、积雪、冰架、冰山、海冰，以及多年冻土和季节冻土；大气圈内的雪花、冰晶、冰雹、霰等固态水也是冰冻圈的组成部分。冰冻圈在赤道附近海拔最高，向南北两极逐渐降低到海平面）。1979年世纪气候大会提出，气候系统各圈层不应单独研究，应将5个圈层结合起来研究。这是一次科学认识上的飞跃，促使气候学逐渐成为地球物理学、地质学、海洋学、气象学和生态学之间的交叉学科。

图1 地球的外部圈层结构示意图（引自人教版高中必修一）

20世纪80年代初，地球系统(Earth System)的概念被提出，地球系统包括：固体地球圈、水圈、大气圈、冰冻圈、生物圈，其中固体地球圈包括岩石圈、上、下地幔和内、外地核，如图2。随着地球系统概念的提出，气候变化的研究也随之扩充为全球变化的研究。人们也逐渐意识到，对气候变化，特别是中长期气候变化的机制分析（原因分析），不能仅局限于气候系统，而需扩大到地球系统。气候变化是地球系统各子系统相互作用在大气圈的反映，气候系统与深层地球系统是相互联系，密不可分的（本段引自：汤懋苍等，1995；高晓清等，2004）。

图2 地球的内部圈层结构示意图（改自人教版高中必修一）

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气候系统模式与地球系统模式

地球系统各圈层及圈层之间的能量转移、物质交换等存在着大量的物理、化学和生态过程，比如：CO2浓度升高导致温室效应增强、CO2的肥效作用增强；地表土地利用变化导致地表反照率改变（注意：反照率和反射率是不同的，反射率是指某一波段向一定方向的反射；反照率是反射率在所有方向上的积分）、地表粗糙度改变等。随着人类对这些过程的认识不断深入，大量自然定律被公式化（例如大气运动方程、热力学能量方程等），进而变成了计算机程序，将这些计算机程序进行封装，便构成了气候/地球系统模式。高性能计算机的发展是推动气候/地球系统模式发展的重要基础。与气候系统模式相比，地球系统模式更为先进，它增加了对碳、碳循环等生物地球化学循环过程的考虑，但其核心依然是大气-海洋-陆面-海冰多圈层关联（耦合）的物理气候系统（周天军等，2020），如图3。

根据地球系统的圈层构成，我们基本可以猜测出来，地球系统模式的构成。地球系统模式由四个子模式（分量模式）构成，分别是大气模式(或称为：大气环流模式)、陆面模式（或称为：陆面过程模式）、海洋模式和冰模式（如图3），各模式之间可通过耦合器进行数据交流和信息交流（如图3）。

实际上，气候/地球系统模式的发展并非一蹴而就建立的，而是随着人类认知水平的提高以及高性能计算机水平的发展逐步建立起来的。过去40余年，国际上气候模式的发展大致经历了以下阶段（周天军等，2020）。

（1）20世纪70年代，大气环流模式快速发展，主要为大气物理过程。

（2）80年代中期，大气环流模式与陆面过程模式耦合，主要为大气和陆面物理过程。

（3）90年代际初期，大气环流模式实现与“沼泽”海洋耦合。主要为大气、陆面和海洋物理过程。

（4）1995年左右，大气环流模式开始考虑硫酸盐气溶胶和火山灰气溶胶，开始引入完整的海洋环流模式，海-陆-气-冰耦合模式形成，但仍仅包括物理过程。

（5）2001年前后，陆面模式引入径流过程使水循环形成闭合过程，大气模式对气溶胶的处理日益完善，海洋模式能够描述经圈翻转环流，许多模式开始考虑气候系统中的碳循环过程。生物地球化学过程开始被考虑，地球系统模式在酝酿之中。

（6）2007年前后，陆面模式引入动态植被，大气模式开始考虑大气化学过程。

（7）2013年前后，气候系统模式逐步进入地球系统模式阶段，具体表现在：海洋模式的生态系统模块、陆面模式的全球植被动态学模块对生物地球化学过程的模拟能力得到全面提升。

当前，随着气候变化经济学交叉学科的兴起和发展，经济系统（人文经济发展）与地球系统的相互作用研究迅速发展，地球系统模式中的人文模块逐步由外生变量转变为内生模块。经济模型与地球系统模式的双向耦合工作正在有序进行。

图3 物理气候系统模式与地球系统模式框架(引自清华大学王斌教授ppt：地球系统模式简介，2012；如需引用此图请注明该出处，并去掉图中公众号水印)

虽然地球气候系统模式已经发展了几十年，但仍存在很多需要解决的问题，比如，绝大多数地球系统模式模拟降水的能力相对偏弱，大部分模式不能再现1998-2013年的全球增暖减缓现象，等等，解决这些问题需要一代又一代的学者、科学家为之付出努力。

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中国的地球系统模式

近30余年，特别是近10年来，中国的地球系统模式和高性能计算水平得到飞速发展。国家（北京）气候中心、北京师范大学、中国气象科学院、中国科学院大气物理研究所、清华大学地球地球科学系、自然资源部第一海洋研究所、南京信息工程大学、台湾“中研院”环境变化研究中心等高校、院所、有关部委已有10余个较成熟、先进的地球系统模式在应用之中，其中有10个参加了世界气候研究计划（WCRP）发起的第六次耦合模式比较计划（CMIP6），如表2。

该表摘自《气象学报》发表的：中国地球气候系统模式的发展及其模拟和预估

根据2021年6月17日《光明日报》的报道，地球模拟实验室“寰”将于今年在北京怀柔科技城初步建成。该实验室是由中国科学院大气物理研究所牵头组建的，是我国的又一项大国重器，其核心软件为中科院大气物理研究所牵头研发的地球系统模式CAS-ESM2.0。“寰”的建设内容不仅包括主要的地球系统模式数值模拟系统，还有区域高精度（空间分辨率1-3公里）环境模拟系统，超级模拟支撑与管理系统、支撑数据库和资料同化及可视化系统，面向地球科学的高性能计算系统，以及配套的土建设施。“寰”建成后可为我国的地球系统科学研究提供新的范式（引自《光明日报》：大国重器“寰”：模拟地球 推演未来）。

计算机硬件方面，国产芯片为超复杂的地球系统模式提供了超给力的算力支持。并且，专为“寰”研制了“面向地球科学的高性能计算机系统”具有不低于15PFlops的计算峰值，其1分钟的算力相当于全球72亿人同时用计算器不间断计算4年。整个系统共有3000多个水冷计算节点，相互之间采用HDR InfiniBand高速网络连接，带宽高达100Gbps。此外，“硅立方”数据库拥有80PB的存储空间，可以装下约13个国家图书馆的馆藏数据，用来保存各个圈层的观测及模拟资料（引自《光明日报》：大国重器“寰”：模拟地球 推演未来）。