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联合发展中国气候系统模式迫在眉睫


编者按 气候变化在近百年来以变暖为主要特征,对我国的社会环境和经济发展已经并将继续产生重大的影响:西北华北水资源短缺;北方强沙尘暴频袭;南方暴雨洪涝成灾。改善环境,再造秀美山川,持续发展经济已成为共识。山河如何整治?农林牧如何规划?工业如何布局?全球变暖、海平面升高对三角洲和沿海经济有什么影响?应当采取什么对策?这是政府决策部门面对的气候变化的重大问题。由于气候变化是气候系统中大气、海洋、陆面、冰雪及生物圈五大圈层相互作用的结果,这样,把各圈层耦合在一起的气候系统模式就成为研究上述气候问题并作出气候预测的不可替代的研究工具。美国、欧洲和日本等发达国家和地区已相继推出了气候系统模式发展的重要联合研究计划。"小作坊"传统习惯和"急功近利"的评估体系,使我国气候系统模式发展后进,人才流失。根据国家需求和国际学科发展趋势,我们必须组织起来,发扬"两弹一星"精神,联合发展我国自己的气候系统模式。

1.中国新时期经济发展向气候研究提出更严峻的挑战

进入新世纪,我国也进入全面推进小康社会建设、到世纪中叶基本实现现代化的新的发展阶段。为实现国家这个伟大的战略发展目标,我国经济必须保持快速和持续的增长。我国新时期经济发展向气候研究提出更严峻的挑战:

我国每年由气象灾害引起的直接经济损失约在600-1800亿之间,占国民生产总值的3%-6%,但遗憾的是目前短期气候预测的水平还比较低。气候研究能提供更准确的预测满足国家防灾减灾决策的需要吗?

持续了20多年的华北干旱未来发展趋势如何?如果干旱继续维持,不单将严重制约华北地区的经济发展,还将影响到人民的日常生活。十年来有科学家试图回答这个问题,但干旱形势并未如所料的发生逆转,反而日趋严重。
从1986年开始,我国连续经历了16个暖冬。最新研究结果表明,人类活动引起的温室气体增加是造成近50年全球气候变暖的主要原因,这种影响在将来还将持续和发展,造成一系列气候、环境和生态问题。例如,未来20-50年中国东部和南部沿海海平面究竟将上升多高,对沿海经济发达区域的经济发展会带来什么影响?在全球变暖背景下,中国西部最重要的冰雪水资源将发生什么变化,现有的脆弱的生态环境将发生什么变化,对实施西部大开发战略(诸如工业布局、农林牧规划、山河整治等)会带来什么影响?

为迎接这种挑战,为能给出更准确的各种时间尺度的气候预测,满足国家经济发展短期和长期决策中的需要,当前气候研究的一个重要的战略部署就是加速发展全球气候系统模式。

2.气候系统模式是进行气候研究和气候预测的最重要的工具

当代气候研究的一个最重要进展就是提出了气候系统的概念。气候系统由大气、海洋、陆面、冰雪和生物圈等五大圈层组成,气候变化不仅是大气本身状态的一种表现,而且是与大气有紧密相互作用的海洋、陆面、冰雪圈以及生物圈所组成的复杂系统的总体状态的表现。因此,气候学不再是过去气象学或地理学一个分支的那种经典气候学,而是发展成为大气科学、海洋学、冰川冻土学、地球物理和地球化学、天文学、生物学等众多学科相互渗透共同研究的交叉学科。

气候系统各圈层之间存在着非常复杂的非线性相互作用,不单有广阔的时间尺度和空间尺度,还包含各种复杂的动力、物理、化学和生物过程之间的相互作用。此外,影响气候变化还有许多复杂的外因,如太阳辐射变化、火山爆发和人类活动等。怎么能够将这样诸多复杂的相互作用的过程和影响因子有机的综合加以考虑并对未来气候变化做出可信的预测呢?气候系统模式就正是这样一种工具。它用数学公式精确表达所需要考虑的各种过程以及它们之间的复杂的非线性相互作用;它可以方便的分析一种或比较几种或综合考虑多种因子在气候变化中的作用,进行所谓数值模拟试验,以研究气候变化的机理和规律;它可以进行长时间的积分计算,再现过去一百年观测到的气候变化,定量评估未来一百年人类活动引起的气候变化。可以说耦合各圈层的气候系统模式是理解气候变化规律特别是预测未来气候变化的最重要的甚至是不可替代的研究工具。正因为如此,建立高精度、高分辨率气候系统模式成了目前世界气候研究的中心任务之一。

3.国际最新发展动向:集中联合发展气候系统模式

在先后实施的"世界气候研究计划"(WCRP,1985-)和"气候变化及可预报性研究计划"(CLIVAR,1995-2015)中,一直把发展气候模式作为重要的研究课题,气候模式也经历了大气环流模式、海洋环流模式、海洋-大气耦合模式,以及进而包含较复杂的陆面过程模式、海冰模式的气候模式等发展阶段。当前,气候模式的发展进入所谓全球气候系统模式的新阶段,各国科学家正致力于把化学、水文、生态、生物地球化学循环等过程,甚至努力把有利于研究太阳活动的电离层耦合到气候模式中,从而形成完整的气候系统模式,或地球系统模式。

美国的"国家大气研究中心"在美国国家海洋和大气局、能源部、国家宇航局等单位支持下于2000年提出"共同体气候系统模式发展计划"(2001-2005),美国各主要大学和研究单位的科学家都参加了共同体,美国国家科学基金会资助该项研究。为实施计划建立了完整的管理机构和研究实体。计划的具体目标是:尽可能使用最好的气候系统各分量模式并在一个灵活和协调的框架内实现耦合,从而发展出一个具有当代科学技术水平的气候模式;使共同体的科学家方便容易地参与模式发展,并使用模式或模式输出资料进行气候变率和全球变化的高水平科学研究;为国家(国内和国际政策)决策提供科学依据。近两届工作年会均有二百多人参加,可见其规模。

欧洲各国提出发展"欧洲地球系统模拟网络",下属"地球系统模拟集成"和"气候资料存储与分发"两个计划。"地球系统模拟集成计划"是2000年向欧盟提出,并于2001年12月启动。欧洲有22个研究单位参加了该计划。计划的目标是建立一个方便使用的高效的欧洲全球气候模拟系统和超级计算机设备(5-10万亿次)。计划的一个特色是选用10个优秀的耦合气候模式进行集成模拟研究。计划经费预算为2-3亿欧元。

日本在科学技术厅、日本原子能研究所、日本国家空间发展署、日本海洋科学技术中心、物理化学研究所等单位支持下新近提出两大气候研究计划。一是从1997年开始的"全球变化前沿研究系统"计划,目标是预测异常气候、全球变暖和生态破坏等灾害,1998-2000年平均年经费超过31亿日元。与此计划同步还启动了"地球模拟器"计划,此计划重点支持发展超高分辨率的气候系统模式,在超级计算机上再现真实的地球并预测未来的变化。2000年财政年度已投入72亿日元发展超级计算机,常规运算速度为每秒5万亿次,预计2002年3月投入运行。
还可一提的是韩国,近年他们才开始发展海洋-大气耦合模式,但发展速度很快,2002-2011年用于气候变化的研究经费为7000亿韩元。

综上所述,美欧日等发达国家或联合国内的或联合多国的科学家均致力于共同集中发展气候系统模式,其联合集中的程度、投资之巨、计算机之巨都是空前的。之所以需要这样的联合集中,是他们充分认识到发展气候系统模式在科学上的艰巨性和系统工程的复杂性,只有集中优势力量进行强强联合才可能快速地发展出最好的气候系统模式,从而为准确预测气候异常和全球变化、为各国的经济发展高水平服务。

4.我国有能力有需要发展中国的气候系统模式

早在八十年代,中国科学家就开始了大气环流模式和海洋环流模式的研究工作,从九十年代初我国又开始了海洋-大气耦合模式的研制,积累了丰富的研究开发和发展气候系统模式的经验。我国独立发展的大气环流模式、陆面过程模式、海气耦合模式分别参加相应的国际模式比较计划,充分展示出了我国在模式发展上的实力,受到了国内外同行的重视。利用我国自己的海气耦合模式研究了增强的温室效应对全球气候变化的影响,其结果分别被1992年、1996年和2001年政府间气候变化委员会(IPCC)组织撰写的气候变化科学评估报告所引用。中国是发展中国家唯一提供这种研究结果的国家。我国还是利用气候模式进行夏季旱涝预测最早的国家,并已取得了一定的成效。近20年的工作积累,为我们今天研制发展新一代高精度、高分辨率气候系统模式打下了坚实的基础。

政府间气候变化委员会将在2005或2006年组织全世界科学家撰写第四次气候变化科学评估报告,在国际同行联合集中高速发展气候系统模式情况下中国科学家将何以为对?我国的气候研究将为还在继续进行的"气候框架公约"谈判的我国政府代表提供什么样的科学支持?最近,美国总统布什就是以气候数值模拟在科学上还有不确定性为借口宣布美国退出限制温室气体排放的"京都议定书"。

还有一点必须给以足够的重视,那就是包括国外几个先进的气候模式,对东亚区域的气候的模拟(特别是关于中国地区降水的模拟)都存在严重的缺陷,导致模式预测能力非常有限。这与东亚有着特殊的地理条件(西有最高的青藏高原,东邻最大的海洋)和特殊的季风气候有关。国外的模式不可能把东亚区域作为他们自己的重点研究对象,东亚的特殊问题理应由我们自己来解决。

发展适合于东亚区域的气候系统模式的重任责无旁贷地落到了我国科学家的肩上,而且是迫在眉睫。

5.我国发展气候系统模式存在的困难和问题

回顾过去20年我国气候模式的发展过程,我们很清楚地看到,影响我国气候系统模式发展进程的不利因素主要有两个方面。

一种是技术性的。我国过去计算机条件落后,难于发展高分辨率的气候模式,也不可能进行大规模的数值模拟研究。但随着国产高性能并行计算机(如神威、银河和曙光等)的问世和迅猛发展,我国计算机性能已得到很大的改善,这为进一步发展模式提供了良好的物质基础。

另一方面的不利因素是研究队伍不稳定、研究经费短缺、管理模式落后、研究力量分散和目标不集中等。近20年各有关部门对研制气候模式也给予了相当的重视和一定的投入,但这些研究工作分散在众多的研究计划中,没有长远的目标,研究队伍不少是"小作坊"式的甚至是"个体"的。这样,研究工作不可避免出现低水平重复、难以集成、难以持续发展;再加上一些政策引导上的问题,使得模式发展人员因文章少而晋升难、待遇低,研究队伍不稳定,并导致大量的优秀人才流向国外,成了国外一些单位发展模式的骨干力量。这些因素使得国内气候模式的发展比较缓慢,这又使得不少急需利用气候模式的研究人员或业务部门广泛引进国外的模式,这又反过来延缓了国内气候模式的发展。

面对主要发达国家联合集中大力加速气候系统模式的国际发展新动向,我们现有状态再也不能维持下去了,我们必须尽快把分散在各部门、各单位、各学科的与发展气候模式有关的研究力量组织起来,发扬"两弹一星"精神,联合集中发展中国的气候系统模式。抓住这个机会,我们还可能迎头赶上,否则我们将会进一步拉大已经很大的差距。

6.发展中国气候系统模式的几点建议

为了更好解决国家经济建设急需解决的气候研究课题,为了给国家有关气候的外交决策提供科学支持,为了我国在国际气候研究领域继续保持一席之地并增大影响,我国集中全国优势研究力量进行强强联合,集中大力加速发展我国自己的适合东亚区域的气候系统模式。鉴于发展气候系统模式同时具有多学科交叉的基础性研究和系统工程的特征,借鉴国外发展模式的有益经验,对于发展我国的气候系统模式提出以下具体建议:

1) 在国家自然科学基金委员会下设立"中国气候系统模式联合研究计划",由国家拨专款给以支持。计划预期10-15年。计划大体分成两个阶段。第一阶段大约5年,主要任务是尽快建立一个高分辨率气候系统模式的基本框架,着手对影响东亚气候的关键过程开展研究,向政府间气候变化委员会提供我国关于全球气候变化的最新研究结果;第二阶段,对影响东亚气候的关键过程进行深入研究,改进模式,提高我国对气候灾害和未来气候变化的预测能力,并逐步发展成完整的气候系统模式。

2) 由有关部委领导组成协调领导委员会,保证计划符合国家发展的需要,监督计划的实施,协调各部门对计划的支持。由有关学科的科学家组成计划科学指导委员会,负责计划的制定,并对计划执行情况进行评估。建立计划项目办公室,负责计划的具体实施。

3) 选择一个有较好模式研制基础的单位,在其基础上建立我国的气候系统模式联合研究基地(国家实验室)。基地有一批基本配套的优秀的模式研究队伍,作为我国发展气候系统模式的基本力量,并注意政策引导,确保这支队伍的相对稳定,以保障我国气候系统模式的可持续发展;基地实行开放、流动、联合的运行机制,吸引国内外的科学家参与模式的发展,特别是采取有效措施吸引海外留学人员,真正做到联合国内外所有优秀人才为发展中国气候系统模式作贡献。

4) 国家投资建成超级计算机设备系统及其网络系统,注意发展诊断分析和可视化等软件系统,从技术条件上保证所有关注模式研究的科学家方便地无偿地使用模式输出资料进行气候研究并参与模式的发展。

5) 国家投资建成国家气候数据库。由有关部门提供气候研究和气候模拟所需要的各种有关的基本观测气候数据,包括气象、水文、海洋、冰雪、地理信息等,经统一整编后无偿供国内所有科学家使用。改变现在一些科学家自己花不少力量整编资料,或无钱买资料,或使用"出口转内销"资料的状况。



  

 

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