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科学家研发出新一代地球系统模式能算出未来

2018-11-01 10:04:09

科学家研发出新一代地球系统模式 能“算”出未来气候

原标题:科学家研发出新一代地球系统模式能“算”出未来气候

今明后三天直至未来一周,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?气候环境将有那些显着变化?想要准确预测难度相当之高。

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,更准确预测中长期全球气候变化。

天气预报与气候预测不是一回事

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。”国际着名气象专家、南京信息工程大学大气科学学院海外院长王斌教授介绍。

但不论天气预报还是气候预测,都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,我们究竟有那些权利该承担那些义务……面对这种复杂的综合性的气候研究,地球系统模式是的工具,也是有效的科学依据。

目前,欧盟、美国、日本等主要发达国家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,亟待弥补这一短板满足国家重大需求。

南信大作为国内大气科学专业齐全、研究人员多、学科综合的高校,主动承担起这一重任。从2012年起,由王斌教授领衔,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研究成果,使它“中国化”。科学家们还将不断对它改进,力争在IPCC第六次评估中取得较好评价。

地球系统模式真能预知未来?

“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。”南信大校长助理、大气科学院院长闵锦忠教授自信地告诉,“也就是说,它能够预测出重要的气候信号——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能否预测厄尔尼诺、拉尼娜等大气候事件的发生。

目前3—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?准确性究竟又有多高?

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。注意到,这套模式是基于当前世界上的大气模式、海洋模式、陆面模式、海冰模式等进行耦合。

“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。”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,能够较好的“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—30km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的准确和精细,还是不可能的。比如地球气候系统有很多的不可预报的随机性过程,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。

(科技南京4月29日电)

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稿源:人民

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