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立足国际前沿研究气候系统模式
  文章来源: 发布时间:2004-10-10 【字号: 小  中  大   

大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(英文缩写LASG)依托于中国科学院大气物理研究所。实验室的研究重点是有关气候问题的研究。自1985年成立以来,LASG在模式发展、气候预测、气候动力学和地球流体力学的方法和理论等方面取得了优秀的成果和重要的进展。在过去4次评估中,成为全国仅有的两个连续4次获得优秀的国家重点实验室之一。由于气候系统模式是开展气候研究最有效的工具,气候模式发展是实验室的突破点。LASG的气候模式作为发展中国家惟一代表参与国际间的各种模式比较计划,取得了重要的国际影响。

20世纪中叶以来,全球变暖趋势加剧,地球环境日渐脆弱,极端天气气候事件频繁发生,严重影响世界经济和社会的可持续发展。保护环境、减灾防灾、经济与社会的可持续发展,都迫切需要我们洞察控制地球气候风云变幻的机制。地球气候系统的各个组成部分(大气、海洋、陆面、冰雪等)之间存在着复杂的非线性相互作用,海陆气耦合的数值气候系统模式正日益成为研究当前气候的特征和行为,了解其过去演变,预测其未来变异的不可替代的、最具潜力的工具。20世纪90年代以来,世界各国纷纷投入大量的人力物力,着手发展全球海气陆耦合的气候系统模式。全球海气陆耦合模式的发展,是一项跨学科的艰巨系统工程,同时又依赖于高性能计算机平台,能够发展全球耦合系统模式的研究机构,主要还是来自发达国家。直至2001年发表的政府间气候变化委员会(IPCC)第三次评估报告,公布了在世界上较具影响力的海气耦合模式的结果,中国科学院大气物理研究所(IAP)大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)发展的全球海气耦合模式榜上有名。这是其中惟一来自发展中国家的模式。那么,是什么因素使LASG能够获得如此成就呢?答案是,不断创新的科学思路、团结稳定的队伍和系统工程式的组织管理。

从20世纪90年代初开始,IAP LASG着手开展全球海气耦合模式的研制工作。到目前为止,已经开发和研制了三代全球海气耦合模式,并用于气候研究的许多方面。在模式的发展过程中,LASG在纵览大气模式、海洋模式发展水平的基础上,指出当时绝大多数海气耦合气候模式所存在的“气候漂移”问题,主要是由于大气、海洋模式本身的缺陷通过海气相互作用的放大而产生的。解决“气候漂移”的主要途径之一,就是进行通量校正,即在海气界面上人为地引入强迫项,从而抑制模式误差的放大。在确立了耦合模式发展的关键点在于海气耦合技术这一主攻目标之后,LASG开始集中力量进行攻关,先后提出“通量距平耦合技术”等,成功地完成了LASG海气耦合模式的若干个版本。LASG并没有满足于此而止步不前,他们进一步研究指出,此前世界上通用的通量调整耦合技术,实际上是一种非物理的作法,这客观上影响了耦合气候模式的充分应用。要从根本上或从物理上解决“气候漂移”问题,应从改进模式的误差入手。首先是尽可能地减小单独的大气和海洋环流模式海气通量的模拟误差,再就是减小耦合过程的不协调而造成的误差放大。围绕着这一方向,他们付出了艰苦的努力,结合国外的模式发展经验,特别是NCAR CSM的耦合模块化耦合技巧,于2002年推出了LASG第四代全球海气耦气候模式(FGCM)的初始版本。另外,为便于进行多种模式组合的耦合试验和比较分析,赋予耦合模式更大的灵活性,FGCM具有灵活选择不同大气、海洋、陆面和海冰子模式的模块化耦合功能,这代表着当今世界上先进的耦合模式发展方向。

作为中国科学家,他们强调模式东亚的特色。东亚季风系统是全球气候系统中的重要组成部分。东亚地区西倚世界屋脊,东临太平洋,地形多变,周边海陆分布复杂,特殊的地理条件造就了特别的气候特征,这为利用数值模式系统来模拟、研究和预测东亚,特别是我国的天气和气候带来了极大的困难,对模式系统本身提出了更高的要求。现阶段,围绕着东亚气候的模拟,国际科学界在模式的发展上面临着极高的难度,总体上来说,目前国内外通用的各种数值模式,对东亚天气和气候的模拟和预测能力都还非常有限。国外大量有关亚澳季风的研究都避开了东亚地区,特别是中国区域,主要以印度季风代表亚洲季风进行讨论。出于针对东亚区域的地形和气候特点、发展对东亚区域气候有较好模拟能力的全球气候系统模式的需要,IAP LASG一方面充分利用所获取的气候观测资料,揭示更为细致的或新的与东亚季风系统相关的气候特征,为模式结果的验证和分析提供更多更细致的依据。另一方面对气候模式在东亚,特别是中国区域气候的模拟状况作深入的分析,以认识气候模式模拟东亚气候的程度和模拟差异的原因。他们指出中国和印度虽同属于亚洲季风区,但在云和云辐射强迫的季节特征上有明显的不同。尽管最大降水率在中国东部和印度季风区都发生在夏季,而最大总云量在中国东部却发生在冬春季节,在印度季风区发生在夏季。说明中国东部和印度季风区在气候特征上有显著不同。这为模式的发展改进,提供了第一手的观测依据,指明了改进方向。

气候模式的发展是一个长期的、渐进的、连续的过程,需要一支具有团队合作精神的稳定的队伍。随着人类活动和政府决策对气候研究要求的不断提高,气候研究的领域越来越广,气候系统模式的内容越来越丰富,也越来越复杂。发展气候系统模式需要多学科研究人员的长期稳定的合作。成果的不断积累和继承、队伍的相对稳定和发展是气候系统模式持续有效发展的保证。长期以来,对于从事模式发展的科研人员,由于缺乏一套科学合理的评价体系,导致从事模式发展的科研人员流失和转向严重;由于缺乏系统的管理和组织,从事模式发展的科研人员没有合理分工和合作,有的方面存在严重的重复劳动,有的方面则存在严重的空缺。有鉴于此,LASG采纳国际前沿研究机构的成功经验,设立模式发展岗,对于从事模式发展研究的技术骨干,采用单独的评估方法,保证他们能够公正地得到各项待遇,这极大地鼓舞了模式发展人员的积极性,为模式发展奠定了重要基础。

耦合气候系统模式的发展兼有科研和工程的双重特性。其工程性要求系统的管理和组织,这是模式发展不可或缺的环节,要有系统的计划和安排,成员间既有分工又有协作,要充分发挥每个科学家的积极性,但更要强调团队精神。传统的“单兵作战”已不适应当今气候系统模式的发展要求。系统的管理、工程式的组织、团队式的合作已是大势所趋。只有形成一个运转良好的分工协作体系,模式发展才有出路。因此,LASG适时成立大气模式组、海洋模式组、耦合技术组、模式评估组和计算机支持组,将LASG成员划分为若干个功能组,既强调分工,更强调协作,群策群力,集中集体智慧进行攻关。一支稳定的、既拥有丰富的模式发展经验、又具备很强的协作精神和合作能力的模式发展团队,为LASG气候系统模式的持续有效发展的提供了保证。

LASG作为中国气候系统模式发展的国家队,考虑到气候系统模式的发展是一件巨大的系统工程,涉及多学科交叉协作,仅LASG的科学家难于长期保持我国气候系统模式的先进性和可持续发展,LASG正积极推动联合发展我国气候模式的研究计划。LASG正在国家基金委地学部领导的委托和支持下在全国众多科学家和有识之士的倡导和鼓励下,先后于2001年11月15日和2002年1月26日在北京主持召开了“第一届其后系统模式发展研讨会”和“全球气候系统模式联合研究计划启动会”。在会上主要由LASG从事模式发展的科学家介绍了有关国内外气候系统模式发展和管理状况以及未来的模式发展思路。与会代表在听取了介绍后,就如何发展我国的其后系统模式开展了热烈讨论并达成共识,表示要发扬“两弹一星”精神,集中我国大气界、地学界以及相关学科的有关科学组织攻关,共同发展符合中国地理气候特点的气候系统模式。

撰稿人:宇如聪

点评:

全球海气陆耦合模式的发展,是一项跨学科的艰巨系统工程,研究机构主要来自发达国家。大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的研究模式,是惟一来自发展中国家的模式。研究成果对国内外气候研究和应用产生了重要影响。他们的成功经验告诉我们:1.耦合气候系统模式的发展兼有科研和工程的双重特性,涉及多学科的交叉协作;科研产出的周期长,需要长期的积累和完善。2.合理的组织管理,科研成果的不断积累和继承,科技队伍的相对稳定和科学家之间的团队精神是气候系统模式有效发展的重要保障。

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