张明华

毕训强

■张明华 毕训强

影片《后天》（英文名The Day After Tomorrow）描绘的是以美国为代表的地球一天之内突然急剧降温，进入冰期的科幻故事。该科幻故事中的科学理论基础是温室效应带来的全球变暖将会引发地球空前灾难。现实中，政府间气候变化专门委员会（IPCC）自1990年以来的总共5次评估报告及相关国际气候与环境谈判，使得对以气候变暖为主要特征的全球气候变化成为影响世界各国政治、经济政策的最重要科学问题之一。

过去的一个半世纪，人口和经济规模的增长消耗了大量的能源，这些能源主要来自储藏在地球表层内的化石燃料，包括煤、石油和天然气。它们通过燃烧释放热能，为我们发电，供我们取暖，让我们开车，同时也释放二氧化碳进入大气。由于燃料中有很多杂质，或者燃烧不充分，这个过程也会伴随大量颗粒物的排放。

燃烧是光合作用的逆过程。在光合作用过程中，大气中的二氧化碳和水分子在太阳光的催化下，合成为植物体中的碳，这些便是燃料。本来燃烧和光合作用是一个可持续的循环过程，就如在30多年前的中国农村，人们种树种谷物，又用柴草烧饭和取暖，烧柴草向大气释放二氧化碳，但在植物的生长过程中，光合作用又把大气中的二氧化碳取走了。然而，从19世纪中叶起，人们开始使用化石燃料，这些燃料是历经数千万年至数亿年才形成的，用它们燃烧所排放的二氧化碳，远远大于光合作用和海洋生态系统能吸收的二氧化碳。因此，大气中的二氧化碳含量逐年增加。二氧化碳是温室气体，它的增加可导致全球增温。

虽然温室效应的理论清楚简单，但是若要定量化度量地球系统中大气、海洋、陆地、生态等圈层的相当贡献，就需要在气候变化研究中引入对生态和环境过程的细致考虑。2010年至今，由中国科学院大气物理研究所为第一承担单位、研究员张明华担任首席科学家的国家重点基础研究计划（“973”计划）项目“生态和环境过程模式的研制和改进”（2010CB951800）开展了一系列研究工作，在全球植被动力学、全球气溶胶和大气化学、多气候分系统模式的耦合集成等方面有了不少研究进展。

全球植被动力学模型

对地球气候中一些子系统的模式研制一般是从最简单的基础模型开始的。对陆地表面的处理，例如土壤类型、土地利用等属性，早期的处理办法是用几组不随时间变化的属性数据。最新的工作是植被动力学模式，就是说在气候变暖的条件下，怎样计算出某些地区的植被类型分布的改变，由此来研究气候与植被的相互影响。

项目组科研人员通过对国际上植被动力学模式的调研、分析和消化，引进了占全球植被的百分之十以上的灌木物种，并建立了这类植物的植被动力学方程，同时也改进了原来模式中其他多类植物的萌衍方案、物候方案和火灾扰动方案。示意图（右下）的上半部给出了改进后的大气所植被动力学模式模拟得到的当今气候条件上主导植被类型的全球分布，下半部给出了用卫星遥感推测到的分布。在这个模拟试验中，每个网格中植被的初始条件是裸土，没有生物量，但有各个物种的种子。这些种子在给定的太阳辐射、大气温度、湿度、降水和土壤条件下，通过物种萌衍、光合作用、竞争、腐烂和死亡等过程，演化一千年后形成的主导植被类型。计算得到的荒漠、热带阔叶常绿树林，灌木林等物种的分布格局，与观测资料吻合得很好。

全球气溶胶和大气化学模式

温室气体的浓度和大气中的颗粒物（气溶胶）不仅影响空气质量，也影响大气辐射传输和云的微物理过程，在最新的大气模式中，科研人员不再把他们看成是混合均匀的零维量，而是要考虑其三维分布及其变化。项目组在原有的大气化学和大气气溶胶模式的基础上，引进了一系列物理化学过程，它们包括气溶胶表面的非均相化学反应、气溶胶粒子的核化凝结碰并等微物理过程、阵风起沙和扬尘，以及海上大风期产生的海盐气溶胶通量等。改进后的模式能够计算出每个空间网格上多种气体和气溶胶的浓度，例如PM2.5的浓度。该模式对一次沙尘个例的模拟，结果发现，在东亚地区大气所气溶胶和大气化学模式能成功模拟这次沙尘天气过程。

全球生态、环境、气候系统模式的耦合集成

项目组把植被动力学模式、大气所气溶胶和大气化学模式耦合到了我国自主发展的全球气候系统模式模式中，从而形成了一个我国自主研制的地球系统模式的初步版本。科研人员对这个模式的各个分系统模式作了初步的模拟和验证，并对耦合后的模式进行了初步模拟，得到了比较合理的结果。此外，也建立了全球生态和环境模式所需要的一些重要数据库。

对模式中的过程、分系统模式和耦合系统模式作进一步的验证、分析和认识，是下一步急需做的工作。验证结果必然会揭示模式的不足。最终衡量模式的标准是它的应用价值，看它是否能真正模拟过去和预测未来在不同时间和空间尺度上的生态、环境和气候的变化。项目组离这个目标还很远，但是，这个耦合模式提供了一个研究科学假设的数学工具，也为其他有关全球变化的研究建立了一个平台。

电影《后天》中出现的由全球增温所导致的突然急剧降温，虽然只是科幻想象，但有一点是可以肯定的，这就是全球范围的大气、海洋、陆地、生态和环境可以通过相互影响而展现人们意想不到的变化。为了预测这些系统在温室气体不断增长的情况下将会发生什么样的变化，数值模拟是唯一可用的科学手段。地球系统模式是一个复杂的巨系统工程，在项目的执行过程中，多种形式的合作对项目的执行起了重要作用，如果物理、化学、生物、生态、计算数学和高性能计算机科研人员对此也怀有兴趣，不妨一起加入吧。

图为大气所植被动力学模式模拟的当今主导植被类型全球分布（上）与观测资料（下）的比较