新模型能否玩转地球

这个新模型模拟了北大西洋的飓风和由此产生的冷海。照片来源:MATHEW MALTRUD

世界上越来越多的气候模型增加了一个新的选择，引起了很多关注。经过近四年的研究，美国能源部最近公布了一个模拟地球系统的雄心勃勃的项目的计算机编码和初始化结果。新模型计划在未来的超级计算机上运行，不仅是为了预测气候变化将如何变化，也是为了预测这些变化将如何给能源基础设施带来压力。

即将到来的全球模型的比较结果可以显示新模型的表现。但是到目前为止，它收到了不同的反应，一些人质疑是否需要另一个模型，其他人说这个8000万美元的项目仍然需要改善其未来的气候预测。甚至项目首席科学家、华盛顿州里士满西北太平洋国家实验室(PNNL)的鲁比·梁也承认模型不是领导者。"我们不指望我们的模型能震惊世界。"她说。

自20世纪60年代以来，气候建模者一直使用计算机来构建虚拟地球。他们把大气和海洋分成几千个盒子，并给每个盒子分配天气条件。根据物理定律，这些“玩具模型”是在模拟的世纪进化而来的。历史上，能源部对气候模型的主要贡献是基于科罗拉多州博尔德市国家大气研究中心(NCAR)的社区地球系统模型(CESM)。但是在2014年7月，能源部启动了加速能源气候模型。目标是预测风暴和海平面上升将如何影响发电厂、大坝和其他能源基础设施，并关注北美或极地等地区。能源部官员还希望有一种模型能够运行在下一代雄心勃勃的“超大规模”(即数十亿次计算)计算机上，预计将于2021年开始。

该项目整合了美国能源部下属8个国家实验室的研究人员。它最初是CESM的碳模拟副本，保留了类似的大气和陆地模型，但包括新的海洋、海冰、河流和土壤生物化学模拟。能源部团队将垂直层的数量增加了一倍，将大气层扩大了一倍，并采用了一种数字处理方法，这种方法计算量大，可以更容易地分解成块，并在预期的“巨型”机器上同时运行。NCAR气候科学家理查德·尼尔说，“他们朝这个方向走是合理的。”

2017年，在美国总统唐纳德·特朗普(Donald Trump)上台并让美国退出《巴黎气候协议》(Paris Climate Agreement)后，美国能源部以该项目的名义放弃了“气候”一词。加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室项目的负责人大卫·巴德说，这个新名字，巨型能源地球系统模型(E3SM)，可以更好地反映模型对整个地球系统的关注。

E3SM的第一个结果凸显了它的潜力:它包括一个运行着25公里宽的超清晰网格单元的模型，足以模拟海洋涡旋和高山积雪等小特征。然而，尽管如此，图像仍然过于粗糙，无法分解单独的云和大气对流，这是限制模型准确性的主要因素。一些科学家怀疑这是否能改善预测。最后一次比较于2014年结束，包括26个模型组(比前一轮多9个)，但最终的集体预测并不更加准确。德国汉堡马克斯·普朗克气象研究所的气候科学家、代号为CMIP6的新相互比较项目的共同负责人比约恩·史蒂文斯说，“我不认为有任何证据表明拥有更多的模型是推进这一领域的关键。”

考虑到美国能源部的兆瓦级计算机还不存在，纽约美国航天局戈达德太空研究所的负责人加文·施密特(Gavin Schmidt)对新模型的原理提出了质疑。戈达德太空研究所也开发了一种全球气候模型。他在推特上写道:“没有人知道这些机器会是什么样子，所以很难提前对它们建模。”PNNL气候科学家和CESM研究员汉斯·辛格说，E3SM的计算能力也不够。用E3SM获得结果所需的计算量将影响大多数大学集群，从而限制外部科学家使用E3SM。

巴德说，关于气候对二氧化碳敏感性的初步结果将“引起一些担忧”大多数模型预测，如果二氧化碳超过工业化前水平的两倍，全球平均温度将上升1.5℃~4.5℃。E3SM的预测结果明显偏高，达到5.2℃。梁推测这是由于模型处理气溶胶和云的方式。像许多模型一样，E3SM将在热带地区产生两条雨带，而不是自然界中赤道附近的雨带。

E3SM的第一个测试将是其在CMIP6中的性能。预计从现在到2020年，包括韩国、印度、巴西和南非在内的近36个建模团队将向比较项目提交他们的结果。每个小组将在标准场景中投入数千个计算机小时，比如模拟二氧化碳每年增加1%和突然增加三倍的效果。

然而，考虑到彼此之间的缓慢增长速度，很少有人期望E3SM或其他模型能产生革命性的见解。史蒂文斯希望修改操作以鼓励创新，例如以1公里的分辨率模拟气候以形成单独的云，或者以竞争的方式收集新数据。" CMIP的整个前提是让每个人都做同样的事情。"他说，“每个人都知道突破来自于让人们做不同的事情。”(晋南编)

中国科学新闻(2018-05-14第三版国际版)