“測算”地（dì）球未來氣候：向地球係統模式要答案（àn）

不少國家都在打（dǎ）造（zào）的一件“利器”——地球係統模式或許（xǔ）可以告（gào）訴我（wǒ）們這些問題的答案。

地球係統模式的“崛起”

近百年來，全球氣候正經曆一次（cì）以變暖為主要（yào）特征的顯著變化（huà）。氣（qì）候變暖帶（dài）來（lái）了一（yī）係列影響（xiǎng），包括海平麵上升、冰川消融、沙漠化加劇（jù），以及（jí）高溫、暴雨、幹旱、風暴等極端天氣氣候事件發生的頻率與強度增加。

要深入研究（jiū）氣候變化的（de）機製和原因，並（bìng）預測未來的（de）變化（huà）趨勢，以便采取應對措施，必須從了解大氣圈、水圈、冰（bīng）凍圈、岩石圈和生物圈等各圈層之間複雜的相互（hù）作用出發。如此宏大、內（nèi）容（róng）繁多的研（yán）究就需要借助能夠描述多圈層相互作用的物理和化學過程的地球係統（tǒng）模（mó）式。

“在極端天氣氣候事件不斷加劇的情況（kuàng）下，地球係統（tǒng）方法顯得尤為重要，可幫助九幺免费版了解導致氣候（hòu）變化的因素，以（yǐ）及這些變化的嚴重程度，從而提升應對能力。”帕維爾·卡巴（bā）特說。

從學科發展本身來講，地球係統模式的雛形——氣候係統模式的發展已成為近20年來國際熱（rè）門的前沿課題，不少國家紛（fēn）紛製訂各種氣候係統模式（shì）乃至地球係統模式（shì）研究計劃，並投入巨資（zī）發展。例如，日本提出兩大氣候研究計劃——“全球變化前沿研究係（xì）統”計劃和“地（dì）球模（mó）擬器”計劃；美國（guó）先後提出“共同體氣候係統模式發展計劃”和（hé）“地球係（xì）統模擬框架”計劃；歐盟提出“歐洲地球係統模擬網絡”發（fā）展（zhǎn）計劃（huá），由“地球係統模擬集成”和“氣候資料存儲與分發”兩個計劃組成。地（dì）球係統模式發展水平的高低已經成（chéng）為衡量一個國家科技綜合實力的重要指標之一。

“當前國際氣候模式的發展，正在（zài）從隻（zhī）考慮大氣、海洋、陸麵（miàn）、海冰各圈層間能量（liàng）和水通量交換過程的物理氣候係統模（mó）式，走（zǒu）向進一步（bù）考（kǎo）慮碳、氮循環等生物（wù）地球化（huà）學過程的地（dì）球係統（tǒng）模式。”吳統文說，地球係統模式從隻包含生（shēng）態係統對環境變化的被動響應，擴展到包含生態係（xì）統過程和人類活動對環境條件的反饋（kuì）與（yǔ）影響。

當地球係統模式遇上人工智能

隨著氣候係統各分量模式不斷豐富，地（dì）球係統模式將更加注重多圈層、多過（guò）程、多要素的耦合。與此同時，地球（qiú）係統數據也在激增。

世界氣候研究計劃（WCRP）先後組織了（le）五（wǔ）次國際耦合模式比較計劃（huá）（CMIP1、CMIP2、CMIP3、CMIP5和CMIP6）。其中（zhōng），CMIP5模式輸出的（de）數據（jù）總量超過3PB（相（xiàng）當於1500多個2TB的硬盤）， 而CMIP6模式輸出的數據總（zǒng）量預（yù）計將超過（guò）30PB。

然而（ér），地球係統模式的預測能力並不一定會因為數據量（liàng）的劇增而提升，科學家還需（xū）要深入理解這些數據背後地球係統各圈層（céng）之間的相互作用和反饋機製。由此，一些研究（jiū）人員開始轉向利用人工智能，尤其是機器學習和深度學習來改進地（dì）球係（xì）統模式。

“盡管深度學習（xí）等人工智能技術在地球係統科學上的應用尚處於起步階（jiē）段，但其在模（mó）式識別和發現海（hǎi）量數據集中存在的非常複雜的非線性關（guān）係方麵異常強大，而這兩點對於研發地（dì）球係（xì）統模式至關重要。”趙宗慈說。

傳統意義上的氣候模（mó）式主要是物理模型，而物理模型（理論驅動）和機器學習（數據驅動）通常被認為是（shì）兩種不同的科學研究（jiū）範式。但事實上這（zhè）兩種（zhǒng）方法是可以互補的，即物理模型原則上可以直（zhí）接解（jiě）釋，並具有不依賴於觀測數據的預測和外推能力；而機器學習在探索數據方麵具有高（gāo）度靈活（huó）性，可能從數據中發現意料（liào）之外（wài）的模式，二者協同也越來越受到關（guān）注。美國國家大氣研究（jiū）中心（NCAR）和美國國家海洋和大氣管（guǎn）理局（jú）（NOAA）已經開始用機器學習和深度學習模式來替換部分氣候和天氣模式。

不（bú）同研究領域的“破壁者”

在“測算”未來氣候中，地球（qiú）係統模式已經給出了一些答案。

政府間氣候（hòu）變化專門委員會第五次（cì）評估報告顯（xiǎn）示，基於（yú）地球係統模（mó）式，氣候變化和碳循環之間的反饋作用將加劇全球變暖。此（cǐ）外，到21世紀末在所有溫室（shì）氣（qì）體排放情景下全球海洋酸化（huà）都將加劇。

科學家對地球係統模（mó）式（shì）寄（jì）予厚望，希望其在預測長時間尺度上的地球氣候和（hé）環境變化中發揮關鍵（jiàn）作用。世界氣象組織明確指（zhǐ）出，全（quán）球氣象事業到了一個全新的轉折點，氣象業務將轉向在無（wú）縫隙的（de）地球係統（tǒng）框架下推進天（tiān）氣、氣候、水和環境業務。利用地球係統模式對氣候變化及其影響進行預測，已成（chéng）為未來模式（shì）的發展趨勢。需要指出的是（shì），除地球係統模式外，未來科學家也有可能會發現（xiàn）更好的模擬（nǐ）地球係統的工具和方法。

“未來地球係統模式將變得越來越複雜，模式分辨率越來越精細，同一模式考慮多個尺度的（de）過程，對模擬局地、區域和全球等不同尺度的相互作用的能（néng）力將（jiāng）得到不斷（duàn）提升。”吳統文說，九幺免费版需要加深（shēn）對地（dì）球係統的基（jī）本物理、化學（xué）和生態係統過程的認識，重點關注人類活動（dòng）與自然係統的（de）相互作用（yòng）。

應（yīng）對氣候變化以及預測和預防其未來影響是全（quán）球麵臨的共同（tóng）課題，並且為減少科學領域、政策製定者、商業界和更廣泛（fàn）社會之間的障礙提（tí）供了新的必要條件。打破不同研究領域之間的障礙是發（fā）展地球係統模式的關鍵之一（yī）。地球係統（tǒng）模式不僅涉（shè）及各圈層之間的相互作用，還需要考慮（lǜ）日益加重的人類活動的影（yǐng）響。隻有匯聚各領域的研究成果，才（cái）能更好地將科學、服務和（hé）政（zhèng）策製（zhì）定聯係起來。

“地球係（xì）統模式研發需要跨越不同學科的協作和結合，包括氣象（xiàng）學、氣候學（xué）、水文學、環（huán）境（jìng）和社會學、經濟學等，這可大（dà）大提（tí）高各種產品和服務的質量及全麵性，包括天氣預報、氣候預估、洪水和幹旱預警以及空氣質量預報和衛生服務等（děng）。”帕維爾·卡巴特說。

來源：中國氣象報

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