地球系統模式的中國道路
——記清華大學地球系統科學研究中心團隊
來源：中國科學報 2013-9-19 彭科峰 孫愛民
金秋九月，是收穫的季節。對於年輕的清華大學地球系統科學研究中心團隊來說，一連串的好消息讓他們在一番耕耘之後終於開始品嘗到成功的喜悅。
不久前，法國學者在《氣候動力學》雜誌上發文表示，諸多CMIP5（第五次階段耦合模式比較計劃試驗）模式中，清華大學參與研發的FGOALS-g2模式對厄爾尼諾特徵及其大氣反饋的模擬能力是最好的。
此前不久，一篇發表在《科學》雜誌上的德國學者的論文，在採用水球試驗結果研究雲和降水對變暖的響應時，從57個CMIP5模式中同樣「看上」了FGOALS-g2等四個模式。
消息傳來，地球系統科學研究中心的團隊成員們備受鼓舞。國際同行的認可，讓他們感到之前在地球系統模式研發方面的努力沒有白費。
近年來，該中心以國家需求為己任，初步構建了一支多學科、跨領域的模式研究團隊，取得了一系列深受國際好評的成果，成功走出了一條地球系統模式的中國道路。
為何要發展地球系統模式
中國幅員遼闊，有著複雜的地理環境和多變的氣候，旱澇、泥石流等自然災害和環境事故頻發。數據顯示，每年因氣候變化和氣候災害造成的經濟損失高達2000億元。因此，氣候變化研究，或者說地球系統模式研究，無疑具有重要的社會、政治和經濟意義。
地球系統模式，正是定量描述地球系統各組成部分性狀及其相互作用的數學物理模型。它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，通過高性能計算技術與方法進行數值求解，以實現對地球系統各種複雜行為的模擬與預測。
「政府業務部門可以運用該模式系統預測氣候異常，如降水、厄爾尼諾；也可以用於跨年代的氣候變化預估，服務於國家的中長期規劃編制以及應對氣候變化政策措施的制定。」清華大學教授羅勇向《中國科學報》記者介紹說。
國家重點基礎研究發展計劃（「973」計劃）顧問組組長、中科院院士徐冠華告訴記者，目前我國正在積極參與全球溫室氣體減排的談判，但由於在地球系統科學方面的研究還相對比較薄弱，中國在有關談判上「缺失科學話語權」。
他還強調，一個國家的計算能力，在很大程度上決定了它在地球系統模式研究領域的發言權。而在全球氣候變化研究中，對地球系統的模擬是一大瓶頸問題。
毫無疑問，目前在這一研究領域，清華大學地球系統科學研究中心已經初步取得了可喜的成就。
為什麼是清華大學
為什麼是清華大學？為什麼是地球系統科學研究中心？答案其實很簡單，它已建立起一支令人稱羨的模式團隊。
清華大學的地學研究由來已久。1929年，清華地學系成立，翁文灝、竺可楨、葉篤正等一批人才相繼湧現。1952年，高校院系大調整，地學系調出。自此，清華地學學科發展中斷半個世紀。此後，恢復地學一直成為校方及老一輩清華地學人的夢想。
2009年，地球系統科學研究中心應運而生，地學在清華復生。徐冠華出任科學指導委員會主任委員，中科院院士陳宜瑜、美國科學院和工程院院士羅伯特•迪金森出任副主任委員。美國國家科學院院長拉爾夫•賽瑟羅恩，中科院院士丁仲禮、安芷生、吳國雄等大師雲集。
地球系統模式的構建，離不開高性能計算。清華大學地球系統科學研究中心與計算機科學與技術系強強聯合，結合環境、水利、能源與數學等學科，成立了地球系統數值模擬教育部重點實驗室，由清華大學教授楊廣文擔任實驗室主任。來自高性能計算領域的優秀人才，在FGOALS-g2的並行優化、耦合集成、CMIP5試驗和模式輸出後處理等方面發揮了關鍵性作用，充分體現了學科交叉的優勢。
「我們的近期目標，是要通過自己的研究，應對全球氣候變化問題。」地球系統科學研究中心副研究員武海平如是說。
中心構建了基於百萬億次的高性能計算機及部分模式軟體與數據的地球系統科學研究平臺，面向全社會開放，並支持資源與數據共享。在引才方面，中心聘請了一大批國內外一流模式專家，迅速組建了一支模式團隊。
中心的模式團隊成立伊始，在高效並行計算、耦合技術、數值方法和物理過程等方面即展現出強大的活力，並在與中科院大氣物理所LASG團隊的合作中不斷積累經驗。他們自主研發了我國第一個耦合器，並建立第一個基於自主研發耦合器的耦合模式；在海洋環流模式和海冰模式的發展方面取得重要進展，發展了兩個包括北極在內的、真正的全球高解析度海洋環流模式版本。
如今，這支團隊在大氣環流模式、海洋環流模式、海冰模式、碳循環模式、區域氣候模式以及耦合集成等方面均擁有一大批傑出人才。
武海平還介紹說，這支團隊在FGOALS-g2的發展和優化以及完成基於該模式的CMIP5試驗中，發揮了重要作用。
「我們對該模式最費時的分量模式——大氣分量模式進行了並行優化，提高了模式的運行速度。同時，我們發現並改正了試驗所用的耦合器存在的計算不確定性問題，提升了模式的性能。」武海平說。
羅勇告訴記者，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）於2010年正式啟動第五次氣候變化科學評估報告編寫階段的工作。此後，國際耦合模式比較計劃（CMIP）為IPCC組織了系列氣候模擬和預測預估試驗。在世界各國提交的數十個地球系統模式中，他們選擇了清華大學參與研發的FGOALS-g2等五個中國模式的模擬與預估結果作為報告參考的依據之一。
CMIP的目的是聯合全球多個地球系統模式，來模擬大氣圈、水圈等氣候系統的變化。來自眾多國家的多個模式參加比較試驗，哪個模式的模擬科學、合理，IPCC在報告中便會引用哪個模式的數據。
「IPCC報告引用、使用我們的地球系統模式所進行的試驗結果，包括對過去氣候變化的模擬、對未來氣候變化的預估，無疑是對我們工作的肯定。」羅勇說。
另外，清華大學的超級計算機系統「探索100」也為該模式進行CMIP5試驗提供了全部的計算與存儲資源，用時5個多月，順利保障了主要調試和最終所有試驗的完成。
未來將走向何方
在專家們看來，地球系統模式的發展水平，已成為衡量一個國家綜合科技實力及核心競爭力的重要標誌之一。加快發展我國自己的地球系統模式，是應對全球變化挑戰、環境治理和防災減災的迫切需求。
目前，在世界範圍內，已經有70多篇論文引用了清華大學與中科院大氣所聯合開發的氣候系統模式。
外界的肯定固然可喜，然而清華大學地球系統科學研究中心模式團隊未來將走向何方，能否為國家發揮更大作用？
羅勇等均認為，他們將著重發展高解析度的聯合地球系統模式，力爭在模式的複雜程度和模擬性能上有所突破。「高解析度和高複雜性，是當前和未來地球系統模式發展的兩大方向。我們現在研發的這個模式，在這方面還有待提高。」
武海平介紹說，未來升級版的地球系統模式，將具有大氣、海洋、海冰、陸面、大氣化學、海洋生物、地球化學和陸面生態等分量模式或過程，同時具備面向耦合模式的同化系統和區域模式嵌套功能，「我們自主研發的這一模式，有望在東亞區域氣候模擬方面優於國外的同類模式」。
楊廣文告訴記者：「模式的解析度越高，計算量就越大，我們將長期依託清華大學雄厚的高性能計算實力，對模式進行優化與改進，發展新的地球系統模式。」
羅勇向記者進一步展望了這套模式的威力與前景：「通過它，我們可以預估未來幾十年、上百年的氣候變化情況。在專業術語中，我們不用『預測』，而是『預估』，這是基於對未來經濟發展、技術進步、氣候變化政策以及人口的變化等社會經濟條件進行的估計。這種預估在空間與時間上是大尺度的，對未來的預估強調氣候長期變化的趨勢。」
「我們的團隊已經就此進行了超前部署，預計3年內將模式進一步完善，爭取在第六次耦合模式比較計劃中讓國外的同行刮目相看。」羅勇說。
徐冠華則對這支年輕的團隊寄託了更多的期望：「我們既要發展地球系統模式，又要發展地球系統科學，通過我們的新認識，為國家和全人類解決全球變化問題作出新貢獻。」