地球“发烧”了！数字版“孪生地球”，被“搬”进实验室( 二 ) 100多亿年前

当时电子计算机出现了，于是国际上提出了第三种科学研究的办法，称为“数值模拟”或“数值试验” 。简单来说，就是通过建立数学模型，利用电子计算机求解，把经过理论模型计算后的数值和实际对比，来证明理论预测是不是和实际的一致。如果这个数学模型与实际相符，就可用来进行模拟试验。
“我曾在中国科学院学部大会上两次提出地球科学发展必须使用数值模拟的方法，算是最早提出这一观点的人。 ”曾庆存曾这样追溯。
随着科学技术的进步，数值模拟的发展已今非昔比，模式系统已经由单一的大气模式，逐步实现了包括海洋、陆地、海冰、植被等多圈层分量模式的耦合。
“寰”就是这样一个集大成者。
江河湖海、山川冰石、葳蕤草木……纷繁万物，归根结底，分属大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈五大圈层；各圈层遵循着大自然精妙的规律运转。要对地球系统进行数值模拟，也就意味着，要在抽丝剥茧中找到这个规律，并用数学公式将其定量地表述出来，还要转化成计算机能看懂的代码。这就是科学家所谓的“模式” 。
为真正实现这一点，数十年来，无数科学家孜孜求索着。
上世纪60年代，正在苏联留学的曾庆存从单一的大气圈入手，将理论中的数值模拟研究推进重要一步。 “那是一套比较简单的大气数值模式，能在小范围内预报出短时间内的天气情况。 ”中国科学院大气物理研究所副研究员张贺介绍，到了上世纪80年代，曾庆存又带领团队设计了一套全球尺度的大气环流模式，在此基础上，后来人不断对其升级。 2003年，张贺来到大气所成为曾庆存的学生，他博士期间的主要精力都投入到第四代大气环流模式的设计研发中。
然而，这并不是终点。
要研究长时间跨度的气候变化问题，还需要将地球系统中对气候状态变化有影响的环境生态等都考虑在内，并计算它们之间的相互作用，这就必须建立一个更复杂的地球系统模型。 21世纪初，国际上的研究也开始从气候系统模式向地球系统模式过渡。
“前者仅考虑大气、海洋、陆面等气候系统各圈层的模拟，后者则进一步考虑了碳氮循环、生物地球化学过程等，对各分系统之间的耦合要求也变得更高。 ”张贺举例，比如，地球系统模型会将气溶胶、二氧化碳的循环以及植被等因素都考虑在内。 “植被和气候之间是有相互作用的，气候变化了，植被随之发生变化；植被本身对气候也有反馈，有植被的地面与裸地面对太阳的反射率是不一样的，这反过来也会影响气候。 ”
作为“寰”的“核心大脑” ，由大气所自主研发的地球系统模式，集成耦合了包含大气、海洋、陆面、植被生态、大气化学、海洋生化、陆地生化在内的7个分系统，能够模拟大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈，打造出一个相对完整的数字版“孪生地球” 。不久的将来，系统还将进一步耦合空间天气、大陆冰川和固体地球模块，地球系统模拟将扩展到临近空间和固体地球领域。
崭露头角
让人欣喜的是， “核心大脑”已经开始在国际舞台上崭露头角。
2021年8月9日，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布第六次评估报告的第一工作组报告。报告预估，在未来几十年里，所有地区的气候变化都将加剧。报告显示，全球升温1.5℃时，热浪将增加，暖季将延长，而冷季将缩短；全球升温2℃时，极端高温将更频繁地达到农业生产和人体健康的临界耐受阈值。