「利用‘寰’，我們可以反演地球的過去，觀察地球的現在，預測地球的未來。」
朱江· 中國科學院大氣物理研究所研究員
2020年2期香港科創大講堂
大家好，我是來自中國科學院大氣物理研究所的朱江。很高興能與大家交流和分享我們新落成的一座國家重大科技基礎設施：地球系統模擬裝置，以及與這個裝置相關的科學問題和研究成果。
極端天氣頻發
先從最近身邊發生的事說起。2021年7月20日，鄭州下了一場雨，這場雨下得特別大，一個小時的降水量達到了200毫米，這是我們國家有記錄以來的歷史極值，是一起極端事件。
▲ 2021年7月20日鄭州遭遇極端暴雨
這些年，大家可能會感覺到極端事件越來越多，甚至經常聽到百年一遇、千年一遇，甚至五千年一遇。
其實，這樣的極端事件不光發生在我們國家，也發生在世界上其他的國家。比如2021年6月，就是美國有記錄127年以來最熱的一個月。
▲ 世界範圍內高溫、洪水頻發
那麼，從資料上怎麼來看這件事？下面是一些科學家根據蒐集到的各種各樣的觀測資料畫出的圖。
▲北半球夏天陸表溫度分佈的變化
最左邊的圖是1951-1980年北半球夏天陸表溫度分佈的變化圖。圖表的橫座標表示溫度，0表示平均值。比如某個地方的平均值是35度，那0就表示35度，0右邊的1-4就表示比平均值多1-4度。圖表的縱座標表示特定溫度出現的頻率。
假定這個地方的平均溫度並不是每天都是35度，有些天溫度會高一些，有些天溫度會低一些。我們會發現總有幾天，甚至好幾個夏天才會有一天特別熱，比如說超過3度或者5度。我們從圖中可以看到，在1951-1980年期間，實際超過3度以上的頻率很小，只有0.1%。
中間的圖是1990-2000年的情況。這十年間溫度分佈往右移了，意味著平均溫度在增高。也能看出來它變扁了，說明超過3度的那塊區域變大了，頻率已經達到了4.7%。
最右邊的圖是2010-2020年的情況，我們發現最近十年溫度在繼續上升。如果平均溫度是35度，再超過3度達到38度，我們就會感到很難受了。大家會發現，超過3度的頻率已經達到了22.1%，也就是隔幾天就要出現一次。這也是為什麼大家現在感覺到極端事件越來越多的原因，資料也說明了這一點。
除了溫度之外，我們還可以去數颱風或強降雨的次數。根據中國氣象局的研究，我們國家近幾十年來極端的降雨、乾旱，包括颱風的強度都有明顯的增加。
全球變暖和人類活動有什麼關係？
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那麼，極端事件的增加是不是全球變暖導致的呢？這是我們需要回答的一個很重要的問題。
▲全球平均陸地和海洋表面溫度變化
我們先看看什麼是全球變暖。如果看全球的平均值，就是把地球上所有表面的資料蒐集起來，包括陸地和海洋，可以看到這100多年的溫度實際上是在增加的，這個增加已經達到了1度左右。
那麼，這是從什麼時候開始呢？大約是從19世紀60年代，即工業革命以來，那時人類開始排放二氧化碳了。這又帶來一個問題：這兩者有沒有關係？
▲全球平均海平面變化
與此同時，科學家還從海島、海岸上的潮汐觀測站中獲取資料，以及後來又發射了很多衛星，來觀測海面高度的變化。把這些資料綜合起來，我們又可以畫一條線來看海平面是不是在上升。大家可以看到，從上世紀初到現在，海平面上升了20釐米。
▲全球平均大氣溫室氣體濃度
在海平面上升的過程中，人類的二氧化碳排放是在增加的。尤其是從工業革命以來，大量的燃煤、燒油等活動使得大氣中二氧化碳濃度不斷地增加。
二氧化碳是隻是溫室氣體的一種，還有另外兩種很重要的溫室氣體甲烷和氧化亞氮，以及更多種貢獻比較小的溫室氣體。這些溫室氣體的濃度為什麼會增加？現在我們基本上可以確定，它們是因為人類排放而增加的。
▲ 全球平均溫室氣體排放
這張圖表明瞭這些年來溫室氣體的排放主要來自於燃煤、燒油發電，另外還要製造鋼鐵和水泥，這些方面形成了主要的部分。
排出來的溫室氣體並不是都留在大氣中，我們也想知道有多少會被陸地吸收，以及有多少被海洋吸收。
陸地吸收很容易計算，大家可以想想，一棵樹為什麼能長起來？就是因為從空氣中吸收了碳。所以，我們可以調查有多少棵樹，以及長了多少，就可以算出陸地吸收的溫室氣體。我們發現，全球溫室氣體的排放扣掉陸地吸收的溫室氣體以後，基本上就可以導致全球平均大氣溫室氣體濃度的增加。
這就引出來一個很關鍵的科學問題，實際上也是我們搞氣候研究的科學家幾十年來要回答的首要問題：近百年來溫度的增加是不是人類活動造成的？有沒有辦法來證明這件事呢？
最嚴格的證明方式就是我們重新回到過去、回到工業革命前，讓我們再活一輩子或者幾輩子。在這個過程中人類不排二氧化碳，不排溫室氣體，但其他的條件都不變，必須要一致，否則有可能是其他原因造成的溫度增加。
如果重複了這個過程再觀測溫度，如果溫度沒有增加，那我們就可以判斷二氧化碳等溫室氣體的增加是原因。
但這不可能做到，實際上研究地球科學、甚至包括天文學很多時候都會面臨這樣的問題，而物理和化學就可以在實驗室裡精確地做這樣的對比實驗。
數值模擬的方法怎麼用？
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那怎麼辦？我們可以先看一個視訊。
視訊中是我的老師曾慶存院士，他也是我們國家2019年度國家最高科技獎的獲得者，他說了一個很重要的方法——數值模擬。什麼是數值模擬呢？我給大家看一個動畫。
這是兩張雲圖，一張是我們用計算機模擬算出來的，另一張是由我國風雲四號衛星觀測的。大家能不能看出它們的區別？其實左邊是我們模擬的，右邊是觀測到的。仔細看的話，會發現衛星的觀測有日夜變化的那條明暗線。
下面左圖是美國的阿波羅11號在1969年7月從月球上拍攝的地球照片。這張照片在當時很有影響，因為人類此前從來沒有從月球上看到我們的家園是什麼樣的。但是，後來有些懷疑論者說登月計劃是假的，是在演播室裡造出來的。
在前幾年，歐洲中期數值天氣預報中心的一些科學家想了一個辦法：利用當時的氣象資料來重構雲圖。那時候還沒有氣象衛星，只有通過放氣球測量的氣壓以及觀測站記錄的資料，再用數值模擬方法來重構。右圖就是重構出來的當時地球上雲的分佈。
重構出來以後，他們確信阿波羅11號拍攝的照片是真的，因為這兩者看起來很類似，很難造假。這也說明現在的數值模擬已經可以達到較好的準確度。
那到底什麼是數值模擬呢？簡單地說，數值模擬就是把人類已經知道的各種定量的規律，包括物理定律、化學定律和生物學定律，也有很多沒有定律但可以進行統計的關係彙集到一起，然後建立一個數學模型。
同時，只有數學模型和公式還不行，還需要把大量的觀測資料輸入到數學模型裡，我們才能模擬地球。觀測資料包括來自於各圈層的資料，比如來自大氣、海洋、陸地、衛星、飛機和雷達，還有來自海上的船等等。把這些資料輸進去，我們就能夠做模擬。
回到剛才那個問題，我們能不能用數值模擬的方法來證明全球變暖是人類溫室氣體排放導致的呢？下面這張圖給出了答案。
▲ 全球表面平均溫度
藍線是我們計算得出的過去100多年來全球溫度的變化情況。這個計算沒有把二氧化碳的排放加進去，可以看到結果基本上沒有變化，就停留在工業革命前的水平。紅線是把實際的二氧化碳排放加進去後模擬出來的溫度變化。黑線是我們實際觀測到的溫度的真實變化。
大家可以看到，在這個模擬中沒有加入其他的變數，只有二氧化碳排放的變化。因此，通過這張圖可以發現，二氧化碳不但是全球變暖的原因，而且幾乎是最主要的原因：紅線和黑線幾乎都是重疊的。所以這就證明了全球變暖是人類溫室氣體排放導致的。
實際上還有很多類似這樣的證據，例如海洋這幾十年或者上百年都發生了溫度的變化，這主要也是二氧化碳的增加造成的。
數值模擬幾乎成了唯一的方法，來證明人為排放的二氧化碳是全球地表溫度增加的主要原因。如果想否定這個觀點，也得拿出類似的強有力的證據。
我國首個地球系統數值模擬裝置
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如果要做數值模擬，我們需要做一個大的科學裝置。這種裝置以前也有，但是隨著數值模擬越來越複雜，隨著研究越來越深入，需要的精度越來越高，這樣的裝置也變得越來越大。
我們國家最近剛建成了這樣的裝置：地球系統數值模擬裝置，命名為「寰」。圖片中展示的是它的計算機中心和硬體，有四層樓高。它大約相當於10萬到20萬臺個人電腦，可以儲存13個國家圖書館的資料。
如果走得更近一些，我們可以看到裡面的主板和晶片。它泡在液體中，一發熱，液體就會冒出泡泡來冷卻，因此功耗很低。以前的計算機如果計算要用1度電，還得花1度電去冷卻它，但現在只要花上0.2度電，這也幾乎是最好的記錄。
同時，這裡還有個科普展廳，歡迎大家今後去參觀。這個科普展廳裡可以看到一個很大的地球模型，以視覺化的方式展示了一些正在模擬的資料。
但這裡最核心的實際上不是硬體，也不是這個大球，而是軟體。現在我們使用的地球系統模式叫做中國科學院地球系統模式，是一個具有自主智慧財產權的模式。這個模式能做哪些事呢？給大家簡單地展示一下。
▲ 大氣雲量
它可以模擬大氣中雲的變化，下不下雨就主要和雲有關。如果要模擬雲，當然就要模擬風和溫度，所以這是一個綜合的代表。
▲ 海洋溫度
它還可以模擬海洋中的溫度和鹽流是怎麼變化的。這有什麼用呢？實際上用處有很多。比如兩年以後日本就會排放核廢水，這些核廢水會往哪裡漂？會不會影響到我們？它會順著洋流走嗎？這都需要我們預測。
▲ 海冰密集度
它還可以模擬海冰的變化，這是從北極的視角來看的。我們可以看到海冰也並不總是在那裡，有些年會變多，有些年會變少。
▲ 海洋生產力
同時，我們還可以計算海洋中的生產力。這個生產力包含了浮游植物、浮游動物、葉綠素等能維持海洋生命循環的基本要素。
▲ 氣溶膠
視訊中展示的是氣溶膠，這包含了人類排放的二氧化碳等溫室其他、PM2.5，還有進入大氣的從沙漠裡揚起來的沙塵等。
▲ 植被森林覆蓋度
我們還可以模擬森林、樹木、灌木和草地的變化等等。當溫度更適合，降雨更多，那個地方就會長出樹來，或者從沙漠變成灌木，或者從灌木變成森林。
此外，我們還可以計算地球上很多相關的量，比如蒸散發、土壤溫度等。
▲ 峰值計算能力 15PF，儲存總容量達 80PB
目前「寰」在硬體上具有一定的先進性。上面圖表的橫座標是年份，縱座標是峰值計算能力，可以看這些年各國的峰值計算能力都在增加。圖中的紅點代表了「寰」，目前它是領先的。
「寰」這樣的一個大科學裝置，得有自己的獨特性。這個獨特性在於以前大裝置都是以硬體為核心，而「寰」的靈魂是軟體。同時，這個軟體還是自主的，硬體的主要核心CPU和加速晶片也都是自主的。
如何用「寰」推演未來
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接下來，我用幾個簡單的例子和大家分享一下如何用「寰」來推演未來。
第一個例子是去年12月份的一次寒潮，那次寒潮貫穿了整個中國。
左上這張以藍色為主的圖是觀測圖。其他幾張圖是世界上美國、日本、歐洲等提前一個月的預報結果。從圖中可以看出來，他們的圖沒有那麼藍，還有紅色，也就說明並沒有預報出這次寒潮。
去年我們也用「寰」做了一個預報，上圖就是我們預報的結果。這說明「寰」對我們的日常生活有用，能提早告訴我們一些未來的變化。
這是短期的應用，我們有時候還要預測更長遠的未來，尤其是大家想知道本世紀末會是什麼樣。那怎麼推演未來呢？那就要用到二氧化碳，把今後二氧化碳會怎麼排放輸入進去？
▲ 大氣中溫室氣體濃度的預期變化
實際上，科學家們已經設想了幾種排放情景。一種情景就是不加任何限制，像圖裡的綠線一路上升，大家隨便排放二氧化碳，想怎麼排就怎麼排。
還有一種情景是最底下各方極其努力的黑線，大家特別剋制，和現在相比二氧化碳幾乎不再增加了，但這個可能性也很小。
藍線和粉線代表著另外兩種介於兩者之間的可能。因此，我們需要看看這些方案的結果會是怎麼樣的。
▲「寰」最新推演的未來溫度變化
這是我們最新推演的結果。只有最下面那個最努力的方案，就是各國政府極其嚴格地控制二氧化碳的排放，才會讓我們到本世紀末溫度上升不超過兩度，即巴黎協議規定的溫度控制線。而剩下的方案都會超過。
因此，我們和世界上很多國家都制定了碳達峰、碳中和的策略，讓二氧化碳的排放不一直升上去，而要降下來的策略。
▲「寰」最新推演的未來降水變化
同時，我們也想知道未來的降水會不會發生變化。在不同的排放情景下，它也會發生變化，大家可以看到大部分情況是增加的。
也可以進一步看看空間的分佈，哪些地方增加了多少，哪些地方減少了多少。這會影響我們的農業佈局，可能原來種小麥的地方今後適合種水稻了。
▲「寰」最新推演的未來海平面變化
同時，未來海平面也會發生一些變化。
▲ 「寰」最新推演的未來北極海冰變化
今後北極海冰也會發生這種情況。圖中1.0的這條虛線代表在夏天北冰洋的海冰會徹底化光。根據「寰」的預測，無論如何在2040-2060年間都會出現這種情況。北極熊將沒有地方可待了。
▲ 「寰」最新推演的未來沙塵暴變化
當然，我們還可以推演其他的變化，比如沙塵暴會怎麼變。
總而言之，利用‘寰’，我們可以反演地球的過去，觀察地球的現在，預測地球的未來。
謝謝大家！