作者:廖洋 齐敏 来源:中国科学报 发布时间:2023/4/23 11:56:12
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小海浪影响大气候 为全球提供精准预测方案

 

4月22日是世界地球日。记者从自然资源部第一海洋研究所获悉,该所研究员乔方利带领团队为世界精准预测地球贡献了“中国解决方案”,本质性提升了地球的模拟和预测能力。

预知未来地球变化是人类长期的梦想。将地球系统中的海洋、大气、陆地、海冰的物理演变规律和生物地球化学循环变成计算机语言,通过超级计算机大规模计算就可以预测地球的未来。

在上世纪六十年代,美国建立了世界首个海气耦合的模式,2021年,日裔美籍科学家MANABE因此获得2021年度诺贝尔物理学奖。由于地球系统模式的发展受制于海-陆-气-冰多个学科的认知规律、跨学科界面过程表达、计算机发展水平、综合国力等诸多方面,地球系统模式成为衡量一个国家科技发展水平的核心标志。

由于世界各国对地球系统规律认知的程度千差万别,各国建立的地球系统模式能力差异巨大。为了不断提升地球系统的计算和预测能力,世界发起了气候模式比较计划CMIP,在过去30年时间内共进行了6次模式大规模对比。

由于地球系统模式的极端复杂性以及大规模计算的高昂成本,往往是科技发达国家的核心科研机构才会参加这个模式比较计划,自然资源部第一海洋研究所是我国海洋领域唯一参加该比较计划的。经过世界无数科学家的努力,地球系统模式过去半个世纪取得了很大进展,但所有模式仍然存在巨大的共性偏差,直接限制了气候的预测能力,也难以对碳排放的气候影响给出准确的评估。提升地球系统模式成为世界的科技前沿,又直接影响到气候外交谈判的国际话语权。

乔方利团队将周期几秒钟的海浪与时间尺度从年到世纪甚至更长的地球系统密切联系起来。团队获取了一系列原创性发现。团队发现海浪的混合作用在上层海洋中起控制性作用,而上层海洋又控制了气候变化;发现海浪的飞沫能极大增强海洋与大气之间的热量通量,热量是气候变化的核心;发现海浪可以把风应力与风的方向扭转甚至到反向,打破了风应力与风向相同的“金科玉律”;此外,观测发现海洋中的应力大于风应力,而海洋中的应力不能超过风应力一直被奉为科技圭臬。

团队这一新系列科技突破被写入自然资源部第一海洋研究所发展的新型地球系统模式中,欧美权威专家对最新的第六次气候模式比较计划CMIP6所有的59个模式进行了评估,发现乔方利团队研发的地球系统模式综合排名第一,这标志着我国模式的发展从长期“跟跑”跨越式进入国际“领跑”。欧美等十余个科技发达国家将团队提出的创新方案实际应用到他们的模式中,其模式能力均得到大幅度提升,如德国的全球海洋模式误差减少了约90%,我国自主原创科技为全球提供了精准预测中国解决方案。

 
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