把地球搬进实验室？我国首个地球系统模拟大科

◎ 科技日报记者陆承宽

虽然在整个地球上进行实验是不现实的，但科学家们仍然有办法获得地球的脉搏。空气、河流、湖泊和海洋、山脉、岩石、冰雪、地球上的生命形式……所有这些都可以由科学家安装在“数值实验室”中，以模拟地球的当前状态并预测未来的气候变化。

6月23日，国家重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”在北京怀柔科学城建成并投入使用。这是我国研制成功的第一台具有自主知识产权的大型地球系统模拟科学装置。

自主研发新设备核心软件

地球系统模拟装置，又称地球模拟实验室，简而言之就是对地球系统进行数值模拟，即根据地球系统的观测数据，用来描述物理、化学和地球系统的生命过程及其演化规律在超级计算机上进行大规模的科学计算，科学家由此可以再现地球的过去，模拟地球的现在，预测地球的未来。

地球系统数值模拟装置是我国第一台具有自主知识产权的专用地球系统数值模拟装置，以地球系统各层数值模拟软件为核心，软硬件协同设计，规模化，综合技术水平走在世界前列。其核心软件是中国科学院大气物理研究所经过长期科研自主开发的地球系统模型。它可以模拟大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈的演化。

作为国家综合国力的体现，各国科学家都在积极开发自己的数值模型。例如，在正在进行的第六届国际耦合模型比较计划中，来自全球 33 个机构的大约 112 个气候模型版本已注册参与，这是有史以来最多的。

虽然世界上有这么多的数值模型，但大多数仍然是气候系统模型。只有美国、欧洲、日本、中国等少数国家和地区提交了地球系统模型，其中包括中国科学院大气物理研究所牵头的地球系统模型。值得一提的是，CAS-ESM是地球模拟实验室的核心模型软件。

“我国地球模拟实验室的成立，将服务于气候变化、生态环境建设、双碳愿景目标、防灾减灾等国家重大需求，可以为国际气候与环境谈判提供有力的科学支撑。 ”中国科学院大气物理研究所所长曹俊基说。

为实现碳中和提供科学支持

当前，应对气候变化和实现碳中和是世界各国面临的共同问题，也是最为复杂的多边外交谈判之一。一些发达国家建造了专门的地球模拟装置，从而在全球气候和环境变化问题的外交谈判中占据主导地位。

现在，在我国建立专门的地球系统数值模拟装置将有助于扭转这种局面。 “我们必须以我们自己的计算数据作为气候和环境领域谈判的基础，以提高我们国家的国际话语权。”中国科学院院士、国家最高科学技术奖获得者曾庆存说。

曹俊基表示，新建成的地球模拟实验室整体性能可与国际先进水平相媲美，具备模拟地球表面各层的能力，能更全面地考虑地球的各种过程系统，特别是全球生态和生物地球化学过程及其与气候系统的相互作用，并在此基础上建立明确的“生态-温度-二氧化碳浓度-碳排放”关系，为温室气体核算和未来提供强有力的模拟支持。变暖预测，帮助实现碳峰值和碳中和愿景和目标。

例如，作为世界上最重要的碳汇之一，陆地系统在帮助实现碳中和目标的过程中不可忽视。地球模拟实验室使用的新版全球植被动力学模型可以准确模拟全球植被分布和碳通量，从而更准确地掌握陆地生态系统对全球变化的响应和反馈。

因此，地球模拟实验室的建成和启用，将为实现碳中和提供强有力的科技支撑。

把地球搬进实验室需要多学科整合

那么，为什么科学家要把地球搬进实验室？这是一个很长的故事。

在 1960 年代，国际科学界提出了地球科学应该如何发展的问题。当时，世界上有两种科学研究方法。一是理论讨论，即理论分析和逻辑计算。理论分析后，通过实验验证理论的正确性。另一个是实验分析。

然而，对于地球科学来说，实验是不现实的。在地球上做实验，需要满足的条件太多了，没有办法保证实验室环境和真实环境都是一致的。另外，实验有时需要破坏一个“环境”，就像生物科学可以通过解剖学来实现，但不可能在整个地球上进行类似的实验，因为地球环境无法被破坏。

当时，当电子计算机出现时，国际上提出了第三种科学研究方法，称为数值模拟，或数值??实验。 “简单来说，这种方法是指提出一个理论后，要验证理论的正确性，需要建立数学模型，并用电子计算机求解，并将理论模型计算出的值与理论值进行比较。实际价值证明理论预测是否正确，与实际相符。”曹俊基表示，如果这个数学模型与实际相符，就可以用于模拟实验。

文章来源：《系统科学学报》 网址: http://www.xtkxxb.cn/zonghexinwen/2021/0910/661.html