作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2013-9-23 13:51:05
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第六代气候模型:看上去很美
研究人员对美能源部拟建新系统态度谨慎

美国已有与拟建的六代气候模型     图片来源:WIKIMEDIA COMMONS
 
现在确实需要高分辨率模型,并且它能在下一代超级计算机上高效运行。
 
那些无论在过去还是未来需要使用计算机模拟技术研究地球气候的科学家,可能很快会有一个有效的新工具。美国能源部(DOE)正在计划创造自己的新计算机气候模型。这也是美国第六个建模工具箱。但是,在一些气候科学家对这个处在萌芽期的模型表示支持的同时,也有人担心它会耗尽现有模型合作者的才能。但无论如何,这个新模型将提供比现有模型更精确的模拟结果。
 
美国国家大气研究中心(NCAR)模型建造者James Hurrell也承认这些担忧。他负责运行美国现存的主要气候模型。不过Hurrell表示:“现在确实需要高分辨率模型,并且它能在下一代超级计算机上高效运行——我并不认为这会是一种威胁。”
 
气候科学核心
 
由成千上万行计算机代码建立的地球模拟系统,正成为气候科学的核心。许多工业化国家都资助发展一个或更多的模型,致力于预测大气中不断上升的二氧化碳水平如何影响空气和海洋温度、洋流以及极地冰等一系列因素。
 
当专注于大型全球图景时,现存的模型已经趋向于做到最好。但是,越来越多的科学家和政策制定者渴望获得更高分辨率的模型,以便将镜头聚焦到小于100平方公里的范围内,例如海洋漩涡、暴风雨和山脉等。研究结果显示,增加这些细节——再配合一些超级计算机的“火力”——能够极大提高模型的预测能力。
 
美国现存的5个模型主要针对各种尺度和议题。其中一个最著名的是NCAR的通用地球系统模型(CESM)。CESM是NCAR于2010年7月推出的新一代地球系统模式,由美国国家科学基金会、DOE和数百位科学家设计制成。它是一个完全耦合的气候模式,其中包括大气、陆地、海洋、海冰、陆冰等几大模块,主要用于研究地球的过去、现在和未来的气候状况。
 
CESM成为政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布评估报告所使用的主要气候模式之一,并且全球科研人员都可以免费获取。通过借助CESM,科研人员能够模拟海洋生态系统与温室气体的相互作用;臭氧、粉尘和其他大气化学物质的气候影响;大气、海洋和地表的碳循环,以及温室气体对高层大气的影响等。
 
此外,在CESM应用中,一种对大气过程的全新描述将使研究人员能探索更广阔的应用空间,包括对空气质量和生物地球化学反馈机制的研究。Hurrell说:“有了CESM,人们能够探索那些以前无法解决的科学难题,这个模式中改进的物理过程和扩展的生物地球化学过程及方法,使人们能够更好地描述客观世界。”
 
全新起航
 
不过,DOE表示,计划中的模型虽然尚未命名,但将是一个独特的、分辨率更高的新版本CESM。
 
新模型将致力于回答全球变暖将如何影响生物燃料作物,或者发电厂的水供应。“通过将大量建模专业知识和世界上最快的计算机相结合,在引领建模的努力方面,DOE下属国家实验室有独一无二的地位。”DOE曾在接受媒体采访时这样表示。
 
官方人士称,该新模型建造计划将涉及7个DOE实验室,并且也可能不需要新的开销。他们希望能在4个月内启动该计划,但是“只能在同行评议得出积极结论,且DOE批准后”,才能实施计划。他们还补充道,DOE将与运行CESM和其他模型项目的科学家分享计算机编码,这也将有助于得到更高分辨率的模型。
 
对于一些人而言,该计划听上去很有希望。Hurrell表示,例如,它将允许NCAR将注意力集中于其他项目。这些将能更好地模拟局部环流,例如厄尔尼诺现象或气溶胶颗粒的气候影响。
 
DOE的全新气候模型征程也可能带来一个更加灵活的团队,他们有更多的自由去追求高风险的方法。CESM团队包括众多因为预算紧张而离开NCAR的研究人员,他们现在供职于DOE。
 
面对争议
 
还有一些人对于合作的官僚主义气息感到窒息。按规定,对于该模型的所有更改都必须经过一个严苛的审批程序。因此有时一些新想法都被遗留在了某个角落。“CESM更倾向于被有效工作的东西吸引。”华盛顿大学气候模型家Chris Bretherton说。DOE的模型建造者有从零开始的自由。
 
也有人注意到,一个国际研究委员会的报告也曾要求一个更“协调”和“综合”的美国模型建造计划。该委员会还提出需要建设更高分辨率的模型。尽管DOE曾表示,没有削减CESM经费的计划——包括今年划拨给NCAR的620万美元,但有人担心新模型会将DOE专家从现有的合作中转移出去。
 
“有一个新计划是伟大的。”DOE劳伦斯·伯克利国家实验室、加州大学伯克利分校模型专家Inez Fung提到,“但是建模研究人手不足。与各自为政相比,将更多的智力投入到一组编码中,效果可能会更好。”
 
批评者还担心,新模型将对西北太平洋国家实验室的Philip Rasch等DOE研究人员产生影响。Rasch是一位前NCAR模型家,至今在CESM项目中保留着重要影响。NCAR模型家Richard Neale说:“坦率地说,他好像还在这里。”
 
但是,如果DOE继续前行,Rasch将受命进行新模型研究工作。“他是否会像过去的几年那样分配自己的时间,仍然是一个开放性问题。”Hurrell承认。
 
DOE的新模型还可能激励华盛顿的政策制定者询问一个令人不安的问题:美国真的需要6个气候模型吗?去年,白宫管理和预算办公室考察了模型过剩的机构,而且众议院科学委员会共和党成员责难道,他们看到过多的钱被浪费在气候科学领域。(张章)
 
《中国科学报》 (2013-09-23 第3版 国际)
 
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