1、地球系統(tǒng)概念模式2012162202 吳友銀地球系統(tǒng)模式是理解過去氣候與環(huán)境演變機理、預(yù)估未來潛在全球變化情景的重要工具。 近百年來，全球氣候正經(jīng)歷一次以變暖為主要特征的顯著變化，對生態(tài)和壞境產(chǎn)生了嚴(yán)重影 響，如海平面上升、冰川融化退縮、凍土面積減少、湖泊收縮、河流徑流量下降、流程縮短 或斷流、泥石流和滑坡發(fā)生頻次增加、沙漠化不斷加劇。為了防止生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步惡化， 減少天氣、氣候災(zāi)害的損失，必須深入研究全球變化的機制和原因，并預(yù)測未來的變化趨勢， 以便制訂應(yīng)對措施，而這必須從了解各圈層之間繁復(fù)的相互作用出發(fā)。因此，耦合各圈層的 地球系統(tǒng)模式就成了全球變化研究的最重要的，不可替代的研究工具之一

2、。什么是地球系統(tǒng)模式?到目前為止，國際上并沒有給出權(quán)威和明確的定義。這一名字是在 進(jìn)入21世紀(jì)后隨著地球科學(xué)各分支學(xué)科的相互滲透與逐漸融合、進(jìn)而明確提出地球系統(tǒng)的 概念后產(chǎn)生的。由于地球系統(tǒng)把大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈作為一個相互作用 的整體來考慮問題，因此原有的研究方法和研究手段已經(jīng)不能完全適應(yīng)地球系統(tǒng)科學(xué)研究的 需要。為了研究各圈層之間的相互作用這一地球系統(tǒng)演變的重要特征和地球系統(tǒng)科學(xué)的關(guān)鍵 科學(xué)問題，發(fā)展能夠反映地球各圈層之間相互作用的數(shù)值模式是地球系統(tǒng)科學(xué)研究的迫切需 求。而這樣的數(shù)值模式就是我們所理解的地球系統(tǒng)模式它是基于地球系統(tǒng)中的動力、物理、 化學(xué)和生物過程建立起來的數(shù)

3、學(xué)方程組（包括動力學(xué)方程組和參數(shù)化方案）來確定其各個部 分（大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈、生物圈）的性狀，由此構(gòu)成地球系統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理模型。地球系統(tǒng)模式的發(fā)展可粗略地劃分為3個階段，即基礎(chǔ)階段、過渡階段與成型階段。基礎(chǔ) 階段即目前以地球流體（大氣、海洋）為主體的物理氣候系統(tǒng)模式階段，其中的固體地球部分只 考慮了地球表層的陸面物理過程。過渡階段即未來在物理氣候系統(tǒng)模式的基礎(chǔ)上考慮大氣化 學(xué)過程、生物地球化學(xué)過儀包括陸地生物化學(xué)過程和海洋生物化學(xué)過程）和人文過程的地球 氣候系統(tǒng)模式階段，模式將具備對碳、氮等循環(huán)過程的定量描述能力，但物理氣候系統(tǒng)模式的 應(yīng)用、評估、改進(jìn)和完善仍然是這個階段的重點之一。

4、成型階段即在地球氣候系統(tǒng)模式的基 礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮其與固體地球（如地球板塊移動及其引發(fā)的地形變化、地震、火山爆發(fā)等）和 空間天氣相互作用的相對完整的數(shù)值模式階段，即所謂的地球系統(tǒng)模式階段。地球系統(tǒng)模式的發(fā)展可粗略地劃分為3個階段，即基礎(chǔ)階段、過渡階段與成型階段。基礎(chǔ) 階段即目前以地球流體（大氣、海洋）為主體的物理氣候系統(tǒng)模式階段，其中的固體地球部分只 考慮了地球表層的陸面物理過程。過渡階段即未來在物理氣候系統(tǒng)模式的基礎(chǔ)上考慮大氣化 學(xué)過程、生物地球化學(xué)過程（包括陸地生物化學(xué)過程和海洋生物化學(xué)過程）和人文過程的地球 氣候系統(tǒng)模式階段，模式將具備對碳、氮等循環(huán)過程的定量描述能力，但物理氣候系統(tǒng)模式的

5、 應(yīng)用、評估、改進(jìn)和完善仍然是這個階段的重點之一。成型階段即在地球氣候系統(tǒng)模式的基 礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮其與固體地球（如地球板塊移動及其引發(fā)的地形變化、地震、火山爆發(fā)等）和 空間天氣相互作用的相對完整的數(shù)值模式階段，即所謂的地球系統(tǒng)模式階段。美國國家大氣研究中心（NCAR）在美國國家科學(xué)基金會和能源部的支持下于2000年提出 的共同體氣候系統(tǒng)模式發(fā)展計劃（CCSM，2001），組建了一個由固定科學(xué)家和支撐人員組成 的、美國各主要大學(xué)和研究單位的科學(xué)家都參加的研究共同體，于2004年建成共同體氣候系 統(tǒng)模式（CCSM），并用于政府間氣候變化委員會（IPCC）第四次評估報告（AR4）的氣候變化預(yù) 測實驗

6、。在CCSM研究團(tuán)隊中,有一個地球生物化學(xué)工作組一直在進(jìn)行生物地球化學(xué)方面特 別是碳循環(huán)方面的研究,他們的使命并不在于當(dāng)時的CCSM模式,而是瞄準(zhǔn)長遠(yuǎn)的目標(biāo)。值得 一提的是，美國在國家宇航局、國防部和國家科學(xué)基金會的共同資助下，于2001年同時啟動了 地球系統(tǒng)模擬框架(ESMF, 2001)計劃，有19個實力雄厚的研究機構(gòu)投入到了這個計劃的研究 與實施中。歐盟于2000年提出了發(fā)展歐洲地球系統(tǒng)模擬網(wǎng)絡(luò)計劃，由下屬地球系統(tǒng)模擬集成(英文縮 寫PRISM)和氣候資料存儲與分發(fā)兩個計劃組成。地球系統(tǒng)模擬集成計劃(PRISM)0也簡稱 為棱鏡計劃，它是2000年應(yīng)歐洲CLIVAR委員會(Eurocl-

7、ivar)的提議而建立的合作研究計劃， 并于2001年12月啟動。來自歐洲各國的22個研究機構(gòu)投入了該計劃的研究和實施。計劃 的目標(biāo)是發(fā)展一套靈活、高效、便捷和對用戶友好的地球系統(tǒng)模擬和氣候預(yù)測系統(tǒng),包括大 氣模式、大氣化學(xué)模式、陸面模式、海冰模式、海洋生物地球化學(xué)模式、區(qū)域氣候模式，它 們通過耦合器相聯(lián)接，構(gòu)成一個完整的模式系統(tǒng)。這就是一個模塊化地球氣候系統(tǒng)模式的典 型框架除美歐之外，日本在科學(xué)技術(shù)廳、日本原子能研究所、日本國家空間發(fā)展署、日本海洋科 學(xué)技術(shù)中心、物理化學(xué)研究所等單位支持下更早提出了兩大氣候研究計劃。一是從1997年 開始的/全球變化前沿研究系統(tǒng)(FRSGC)0計劃,目標(biāo)是預(yù)

8、測異常氣候、全球變暖和生態(tài)破壞 等災(zāi)害。與上述計劃同步還啟動了地球模擬器(Earth Simulator)計劃，該計劃一方面于2001 年研制成功當(dāng)時世界上最快的、以地球模擬器命名的超級計算機,2002年正式投入使用;另一 方面重點支持發(fā)展超高分辨率的氣候系統(tǒng)模式，在該超級計算機上再現(xiàn)真實的地球并預(yù)測未 來的變化。中國的模式發(fā)展現(xiàn)狀中國科學(xué)家已經(jīng)在地球系統(tǒng)模式領(lǐng)域做了大量工作,特別是通過近30 年的努力，在大氣環(huán)流模式、海洋環(huán)流模式、陸面過程模式的發(fā)展及其耦合等領(lǐng)域取得了令 人矚目的成績。中國早期的氣候模式研發(fā)工作幾乎與發(fā)達(dá)國家同步。早在20世紀(jì)80年代， 中國氣象學(xué)家就認(rèn)識到了數(shù)值模擬在氣候

9、變化研究中的重要性，并開始了氣候數(shù)值模式的發(fā) 展(錢永甫，1985, Zeng, et1989)。通過20多年的努力，從最基本的氣候模式-大氣環(huán)流模式 (Zeng, et al, 1989)、海洋環(huán)流模式(Zhang, et al, 1989),經(jīng)歷海-氣耦合模式后(Zhang, et al, 1992; Guo, et al, 1996),發(fā)展到后來的耦合氣候系統(tǒng)模式(吳國雄等，1997;周天軍等,2005c; Zhang, et al, 2000; Yu, et al, 2002; Yu, et al,2008; Zhou, et al, 2008這是中國地球系統(tǒng)模式的雛形。在發(fā)展和應(yīng)用氣

10、候系統(tǒng)模式的同時，中國學(xué)者也充分認(rèn)識到氣候系統(tǒng)模式的發(fā)展是一個 巨大的工程，需要各相關(guān)學(xué)科研究人員的聯(lián)合、參與和支持。在國家自然科學(xué)基金委、中國 科學(xué)院和中國氣象局等部門的推動下，中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué) 數(shù)值模擬國家重點實驗室(LASG)聯(lián)合國家氣候中心、中國氣象科學(xué)研究院、南京大學(xué)大氣 科學(xué)系等單位，經(jīng)過半年多的反復(fù)研討，于2002年1月首次提出了/全球氣候系統(tǒng)模式聯(lián)合研 究計劃0( 2001)2005,詳見http:Mweb.lasg. ac. cn/)的征求意見稿，并在此基礎(chǔ)上,LASG協(xié)助國 家自然科學(xué)基金委于同一年起草了/中國應(yīng)加速發(fā)展自己的氣候系統(tǒng)模式0的建

11、議書,并通過 基金委2002年第8期簡報上報到了國務(wù)院，得到國家領(lǐng)導(dǎo)人的重視。后來，在國家自然科學(xué)基 金委、中國科學(xué)院和中國科學(xué)技術(shù)部項目的聯(lián)合支持下LASG于2004年5月建成了國內(nèi)基 于耦合器技術(shù)的模塊化物理氣候系統(tǒng)模式FGOALS ( FlexibleGlobal Ocean-Atmosphere-Land Surface System Mod-el)(周天軍等,2005d; Yu, et al, 2008)的1. 0版本。與此同時，國家氣候中 心在中國氣象局的支持下于同年也建成了另一個物理氣候系統(tǒng)模式BCC-CM1(BeijingClimate Center-Climate Model, Version 1)(丁一匯等,2002)。這兩個模式均參加 IPCC AR