2023年9月22日,地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置核心軟件——中國科學(xué)院地球系統(tǒng)模式(CAS-ESM)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在《ADVANCES IN ATMOSPHERIC SCIENCES》(AAS)上發(fā)表了關(guān)于CAS-ESM大氣CO2全耦合模擬的最新研究進(jìn)展。該研究指出:CAS-ESM2.0已成功解決了陸地碳循環(huán)、海洋碳循環(huán)與大氣CO2雙向耦合的難題,并能夠合理的計(jì)算大氣CO2的時(shí)空變化。
CAS-ESM團(tuán)隊(duì)在地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置可視化球屏前討論全耦合大氣CO2季節(jié)變化的模擬結(jié)果(攝影:李國強(qiáng))
CO2是地球大氣中關(guān)鍵的溫室氣體,其濃度自工業(yè)革命以來急劇增加,如2022年全球平均大氣CO2濃度已達(dá)到417.07±0.15 ppm(parts per million),相比1750年(278.00±5.00 ppm)增加了50.0%。大氣CO2濃度的增加會(huì)顯著影響全球氣候和生態(tài)環(huán)境,包括通過有效輻射強(qiáng)迫加劇全球氣候變暖、通過施肥效應(yīng)促進(jìn)植物光合作用等。大氣CO2濃度變化及其影響是全球氣候和生態(tài)環(huán)境研究的核心問題之一。
大氣CO2的變化和影響涉及到地球系統(tǒng)的多圈層多尺度過程,需要在耦合的系統(tǒng)中對之加以研究。地球系統(tǒng)模式能夠刻畫氣候系統(tǒng)、碳循環(huán)過程以及它們的相互作用,是開展大氣CO2研究的重要工具。國際耦合模式比較計(jì)劃為此設(shè)計(jì)了大氣CO2排放驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)(emissions-driven runs)。該試驗(yàn)要求模式不僅能夠模擬陸地碳循環(huán)、海洋碳循環(huán)與大氣CO2的相互作用,還要能夠計(jì)算大氣CO2的時(shí)空變化。但是,目前國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)這類大氣CO2全耦合試驗(yàn)的地球系統(tǒng)模式還比較少,且模擬的大氣CO2濃度和下墊面碳通量仍然存在較大的不確定性。
CAS-ESM研發(fā)團(tuán)隊(duì)一直致力于研發(fā)具有中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地球系統(tǒng)模式。為實(shí)現(xiàn)大氣CO2的全耦合模擬,CAS-ESM研發(fā)團(tuán)隊(duì)把同時(shí)考慮野火和植被演變的自主研發(fā)的全球植被動(dòng)力學(xué)模式、海洋生物地球化學(xué)模型等耦合進(jìn)入CAS-ESM。經(jīng)過堅(jiān)持不懈的努力,CAS-ESM2.0已成功實(shí)現(xiàn)陸地碳循環(huán)、海洋碳循環(huán)與大氣CO2的雙向耦合,并且能夠合理的模擬出大氣CO2的歷史增加趨勢和季節(jié)變化。CAS-ESM2.0大氣CO2全耦合模擬功能的實(shí)現(xiàn)具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。一方面,CAS-ESM2.0能夠用于研究碳循環(huán)與氣候的相互作用,例如,診斷目前地球系統(tǒng)模式關(guān)于大氣CO2模擬誤差的原因和具體物理機(jī)制。另一方面,可以為“雙碳”戰(zhàn)略提供科學(xué)的支撐,包括碳中和最優(yōu)路徑的選取等。
圖1 CAS-ESM2.0能夠合理模擬出1850到2014年大氣CO2的增加趨勢,以及陸地和海洋凈碳通量的響應(yīng)(動(dòng)圖by朱家文)
圖2 CAS-ESM2.0能合理模擬出大氣CO2的季節(jié)變化,這主要與陸地生態(tài)系統(tǒng)季節(jié)性生長有關(guān)(球屏動(dòng)畫by朱家文&中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心GPVis可視化團(tuán)隊(duì),攝影:李國強(qiáng))
論文的作者團(tuán)隊(duì)包括中國科學(xué)院大氣物理研究所朱家文(第一作者)、何卷雄(通訊作者)、李陽春、張賀、曾曉東、費(fèi)可測、靳江波,北京師范大學(xué)紀(jì)多穎,紐約州立大學(xué)石溪分校張明華;論文還得到了CAS-ESM2.0所有研發(fā)成員的持續(xù)支持。
該研究得到了國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2022YFE0106500)、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)(2022076)等項(xiàng)目的支持。