作者:晋楠 来源:中国科学报 发布时间:2018/5/14 9:02:20
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新模型能否玩转地球
美能源部将首测特别气候模型

新模型模拟北大西洋飓风以及随之而来的寒冷海域。图片来源:MATHEW MALTRUD

世界上日益增多的气候模型中又增加了一个备受瞩目的新选项。经过近4年的研究,美国能源部(DOE)近日公布了模拟地球系统的一个雄心勃勃项目的计算机编码和初始化结果。这个新模型计划在未来的超级计算机上运行,其设计目的不仅仅是预测气候变化如何改变,还有这些改变如何给能源基础设施带来压力。

即将产生的全球模型的对比结果或可展示新模型的表现如何。但到目前为止,它收到的反应不一,一些人质疑需要另一个模型,还有人说这个斥资8000万美元的项目仍须提高未来气候的预测水平。即便是该项目的首席科学家、华盛顿州里士满西北太平洋国家实验室(PNNL)的Ruby Leung也坦言,该模型并非领先者。“我们并不期待我们的模型会让全世界惊叹。”她说。

自20世纪60年代开始,气候模型专家就利用计算机构建虚拟地球。他们把大气和海洋分为数千个盒子,并给每个盒子分配天气状况。然后根据物理定律,这些“玩具模型”世界在模拟的世纪中演化。从历史角度看,DOE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)的社区地球系统模式(CESM)。但在2014年7月,DOE启动了加速能源气候模型。其目标是预测暴风雨和海平面上升会如何影响发电厂、大坝和其他能源基础设施,并聚焦诸如北美或极地等区域。DOE官员还期望有一个能够在下一代宏大的“百万兆级”(即百亿亿次计算)计算机上运行的模型,该计算机预计在2021年启动。

这个项目整合了来自DOE下属的8个国家实验室的研究人员。它开始时为CESM的碳模拟副本,保留了类似的大气和土地模型,但却包括了新的海洋、海冰、河流和土壤生物化学模拟。DOE团队将垂直图层的数量增加了一倍,将大气延伸得更高,并采用了一种数字处理方法,该计算密集型方法能更容易地分解成块,并在预期的“百万兆级”机器上同步运行。NCAR气候科学家Richard Neale说,“对他们来说,往这个方向走很合理。”

2017年,在美国总统唐纳德·特朗普执政并使美国撤出《巴黎气候协议》之后,DOE放弃了项目名称中的“气候”一词。加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室项目负责人David Bader说,新的名字,即百万兆级能源地球系统模型(E3SM),可以更好地反映该模型对整个地球系统的聚焦。

E3SM的第一个结果突出了它的潜力:包括用超清晰的25公里宽的网格单元运行的模型,足以模拟诸如海洋涡漩和高山积雪等小型特征。但即便如此,这幅图像仍然过于粗糙,无法分解单个云层和大气对流,这是限制模型精度的主要因素。一些科学家怀疑它是否能改善预测。最后一次相互对比在2014年结束,其中包括26个模型组(比前一轮多9个),但最终得出的集体预测并没有更精确。德国汉堡马克斯普朗克学会气象研究所气候科学家、代号名称为“CMIP6”的新相互对比项目共同负责人Bjorn Stevens表示,“我认为没有任何证据表明,仅仅拥有更多的模型是推进这一领域的关键。”

考虑到DOE能源部的百万兆级计算机尚不存在,纽约市美航天局戈达德太空研究所(该所也开发了一个全球气候模型)负责人Gavin Schmidt对新模型的原理提出了质疑。他在推特网上写道:“没人知道这些机器到底会是什么样子,所以很难提前为它们建立模型。”PNNL气候科学家、使用CESM做研究的Hansi Singh说,E3SM的计算强度也有不足之处。要用E3SM获得结果所需要的计算量会让大多数高校集群受到打击,从而限制了外部科学家使用它。

Bader说,关于气候对二氧化碳敏感性的一个初步结果将“引起一些关注”。大多数模型推测,如果二氧化碳高于工业化前水平的两倍,全球平均气温将上升1.5℃~4.5℃。而E3SM的预测结果则明显更高,达到5.2℃。Leung推测,这是由于该模型处理气溶胶和云层的方式造成的。和许多模型一样,E3SM会在热带地区产生两个降雨带,而不是自然界赤道附近一个降雨带。

对E3SM的第一个测试将是它在CMIP6中的性能。包括韩国、印度、巴西和南非在内的近36个建模小组预计将从现在到2020年向相互比对项目提交结果。每个小组将把数千个计算机小时投入到标准的场景中,例如模拟二氧化碳每年增加1%以及突然增加3倍的影响。

但考虑到先前相互比对的缓慢提升速率,很少有人期望E3SM或其他模式能产生革命性的见解。Stevens希望修改这项操作以鼓励创新,比如在形成单个云层所需的1公里的分辨率下模拟气候,或是以竞争形式收集新的数据。“CMIP的整个前提是让每个人都做同样的事。”他说,“所有人都知道,突破来自于让人们做不同的事情。”(晋楠编译)

《中国科学报》 (2018-05-14 第3版 国际)
 
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