南京信息工程大學地球系統模式

近百年來,全球氣候正經歷一次以變暖為主要特徵的顯著變化,對生態和環境產生了嚴重影響，如海平面上升、冰川融化退縮、沙漠化不斷加劇等。為了防止生態環境的進一步惡化,減少天氣、氣候災害的損失，必須深入研究全球變化的機制和原因，並預測未來的變化趨勢，以便制訂應對措施，而這必須從了解各圈層之間繁複的相互作用出發。因此,耦合各圈層的地球系統模式就成了全球變化研究的最重要的、不可替代的研究工具之一。

南京信息工程大學作為國內大氣科學專業最齊全、研究人員最多、學科綜合排名第一的高校，主動承擔起這一重任。從2012年起，由王斌教授領銜，組織了40餘人的團隊，著手獨立開發一種全新的地球系統模式。它耦合了世界上先進的大氣、海洋、海冰和陸面模式，然後通過不斷地加入中國科學家的最新研究成果，使它“中國化”。科學家們還將不斷對它改進，力爭在IPCC第六次評估中取得較好評價。

基本介紹

• 中文名：南京信息工程大學地球系統模式
• 研發時間：2012年
• 研發發起人：王斌教授
• 研發目的：研究全球變化的機制和原因

定義

什麼是地球系統模式?到目前為止，國際上並沒有給出權威和明確的定義。這一名字是在進入21世紀後隨著地球科學各分支學科的相互滲透與逐漸融合、進而明確提出地球系統的概念後產生的。由於地球系統把大氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈作為一個相互作用的整體來考慮問題，因此原有的研究方法和研究手段已經不能完全適應地球系統科學研究的需要。為了研究各圈層之間的相互作用這一地球系統演變的重要特徵和地球系統科學的關鍵科學問題，發展能夠反映地球各圈層之間相互作用的數值模式是地球系統科學研究的迫切需求。而這樣的數值模式就是我們所理解的地球系統模式，它是基於地球系統中的動力、物理、化學和生物過程建立起來的數學方程組(包括動力學方程組和參數化方案)來確定其各個部分(大氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈)的性狀，由此構成地球系統的數學物理模型，然後用數值的方法進行求解，編製成一種大型綜合性計算程式，並通過計算機付諸實現對地球系統複雜行為和過程的模擬與預測的科學工具。

地球系統模式概念圖

通過對已有地球系統模式的定義進行補充，我們可以得到一個更全面的地球系統模式的概念圖，其基本組成含5個功能塊：物理氣候系統（天藍色）、生物地球化學系統（深黃色）、與人類活動影響相關聯的人文（或社會科學）系統（紫紅色）、固體地球（藍色）和與太陽活動有關的空間天氣（紅色）。固體地球和空間天氣的影響在物理氣候系統模式和地球氣候系統模式中只是用已知的資料作為單向強迫來簡單考慮，只有在地球系統模式中才能得到較客觀的描述。

國際上地球系統模式研發的主要計畫

從學科發展本身來講,地球系統模式的雛形——氣候系統模式的發展已經成為近20年來國際熱門的前沿課題，已開發國家紛紛制訂各種氣候系統模式乃至地球系統模式研究計畫，並投入巨資進行發展。

WCRP耦合模擬工作組（WGCM）

地球系統模式的雛形——耦合氣候系統模式的發展是世界氣候研究計畫(WCRP)氣候變率與可預報性研究(CLIVAR)的重要基礎和中心議題，其主要任務就是從季節、年際和年代際時間尺度上描述、模擬和預測全球氣候變化。WCRP聯合科學委員會(JSC)和CLIVAR科學指導小組(SSG)聯合建立了耦合模擬工作組(WGCM)，其目的一方面評估和支持耦合氣候系統模式的發展，包括模式比較計畫的組織(如耦合模式比較計畫CMIP)，這是模式驗證和缺陷診斷的基礎;另一方面促進耦合模式的協同研究與實驗，以獲取更可信的氣候系統對自然因子和人類活動的回響的預測。

美國“共同體氣候系統模式發展計畫”CCSM

美國國家大氣研究中心組建了一個由固定科學家和支撐人員組成的、美國各主要大學和研究單位的科學家都參加的研究共同體，於2004年建成共同體氣候系統模式(CCSM)，並用於政府間氣候變化委員會(IPCC)第四次評估報告(AR4)的氣候變化預測實驗。在CCSM研究團隊中，有一個地球生物化學工作組一直在進行生物地球化學方面特別是碳循環方面的研究，他們的使命並不在於當時的CCSM模式，而是瞄準長遠的目標。

“歐洲地球系統模擬”網路計畫

來自歐洲各國的22個研究機構投入了該計畫的研究和實施。計畫的目標是發展一套靈活、高效、便捷和對用戶友好的地球系統模擬和氣候預測系統，包括大氣模式、大氣化學模式、陸面模式、海冰模式、海洋生物地球化學模式、區域氣候模式，它們通過耦合器相聯接，構成一個完整的模式系統。這就是一個模組化地球氣候系統模式的典型框架。

日本“地球模擬器(Earth Simulator)”計畫

於2001年研製成功當時世界上最快的、以地球模擬器命名的超級計算機，2002年正式投入使用；另一方面重點支持發展超高解析度的氣候系統模式，在該超級計算機上再現真實的地球並預測未來的變化。

世界24個耦合氣候系統模式

全世界有24個耦合氣候系統模式給IPCCAR4提交了結果，這些模式來自12個國家18個單位，在很大程度上代表著當今世界地球系統模式的發展水平、發展階段與發展方向。在24個模式中，美國有7個，日本有3個，中國、英國、加拿大、法國、德國各有2個，挪威、義大利、澳大利亞和俄羅斯各1個。其中，中國的兩個模式分別來自中國科學院大氣物理研究所LASG和國家氣候中心，德國的2個模式中有1個是與韓國合作建立的。

南京信息工程大學地球系統模式

地球系統模式的出現是地球系統科學發展進程中的一個里程碑，其發展水平及模擬能力的高低已成為衡量一個國家地學綜合水平的重要標誌。地球系統模式涉及的學科領域非常廣泛，不僅涵蓋地球科學各領域，而且與計算科學密切相關。可以說，一個國家地球系統模式的有無及模擬性能的好壞，不僅僅只是反映該國的地球科學研究能力，在一定程度上還體現著該國綜合科學技術水平的高低。因此，中國作為一個地學大國，一個科技大國，沒有理由不去重視和發展自己的地球系統模式。

南京信息工程大學作為國內大氣科學專業最齊全、研究人員最多、學科綜合排名第一的高校，主動承擔起這一重任。從2012年起，由王斌教授領銜，組織了40餘人的團隊，著手獨立開發一種全新的地球系統模式。它耦合了世界上先進的大氣、海洋、海冰和陸面模式，然後通過不斷地加入中國科學家的最新研究成果，使它“中國化”。科學家們還將不斷對它改進，力爭在IPCC第六次評估中取得較好評價。

2014年4月26日至27日，地球系統模式2014年學術研討會在南京召開，南京信息工程大學地球系統模式終於揭開了神秘的面紗。備受矚目的Nuist Model 1.0版同期發布，南信大地球系統模擬中心也在會上正式揭牌。中國科學院石廣玉院士，中國海洋環境預報中心主任王輝研究員，南京信息工程大學地球系統模擬中心主任、夏威夷大學王斌教授，香港中文大學劉雅章教授，台灣環境研究中心許晃雄研究員，中國氣象科學研究院副院長趙平研究員等來自國內外各大高校、科研院所、業務部門的百餘位專家學者參加了啟動儀式。

南信大地球系統模式啟動儀式

南京信息工程大學地球系統模式發展的特點：

徹底改變以前的模式發展策略

徹底改變以前的模式發展策略，從“另起爐灶”轉變為“評估、改進、再評估、再改進”。通過對已有的物理氣候系統模式進行大量的評估和套用，不斷加深對模式性能的了解，尋找影響模式性能的主要因素及其機理，並在此基礎上有的放矢地改進模式，這是模式進步的重要途徑。而“評估、改進、再評估、再改進”的策略離不開觀測資料，因此，針對關鍵“海-氣”及“陸-氣”相互作用區進行多學科協同的三維強化觀測，健全資料共享制度，開展過程研究，是改進制約模擬能力提高的關鍵模式物理過程的關鍵手段。

重視中國自己耦合器技術的研發

重視中國自己耦合器技術的研發，制定統一的模式數據檔案輸入/輸出標準，實現模式的模組化、並行化和標準化。耦合器技術不僅支持模式的模組化和並行化，而且作為模式系統最底層的軟體支持平台，是聯合地球科學不同分支領域科學家方便地為同一個模式系統作貢獻的重要紐帶。以前中國是依賴引進耦合器來發展自己的地球系統模式，但引進的耦合器往往不可能是最新的，無疑會影響模式系統的技術先進性以及模式發展的步伐，因此，研發中國自己的耦合器技術是十分必要的。

提高系統模式解析度

提高物理氣候系統模式及其各分量模式的解析度，改善模式對系統細緻結構的模擬能力。模式解析度的提高不僅需要解決框架的計算穩定性問題，還需要精細化的物理過程、化學過程以及生物過程與之匹配。高解析度耦合氣候系統模式應該作為中國未來5 a模式發展的中心任務之一，目前也是國際同一領域熱門的課題。

發展生物地球化學模型

發展生物地球化學模型，包括大氣化學模式、動態全球植被模式、海洋生物模式以及碳、氮循環模組，在耦合器框架下，實現它們與物理氣候系統模式的耦合，建立地球氣候系統模式框架。

重視區域地球系統模式的研發

重視區域地球系統模式的研發，探索與全球地球系統模式雙向嵌套的適定側邊界方案，減少動力降尺度的不確定性，為開展區域氣候極端事件機理與成因的研究，提高區域氣候預測能力，提供新的有效手段。