地球系统的演化过程（地球系统模式开发100年）

在今年6月召开的第18次世界气象大会上，世界气象组织综合气象及相关科学发展，考虑经济社会对全球气象界服务需求的趋势，第一次十分明确地指出，全球气象事业到了一个全新的转折点：气象业务将转向在无缝隙的地球系统框架下推进天气、气候、水和环境业务。这或许意味着，地球系统的概念和地球系统模式的开发，开始进入人们的日常生活。

毫无疑问，地球系统模式已经成为未来模式发展的重要趋势。本文回顾了地球系统模式100年来的发展历史，从它的发展脉络中我们可以清晰地看到人类在不断推进能够反映地球各圈层之间相互作用的数值模式，对于全球气候变化的理解也在模式发展的过程中一步步深化。今天最先进的模式，不仅能够模拟大气，还可以加入越来越多的耦合过程，让模式可以模拟海洋、水文、冰雪、陆面等圈层；同时针对大气层，在环流、天气之外，模拟影响空气质量的生物地球化学过程。

今天的全球地球系统模式起源于对流层天气系统的简单区域模式。大气和海洋数值模拟模式的发展是二十世纪的伟大科学成就之一，今天的全球大气模式通常与海洋模式、海冰模式以及包括陆地植被和碳循环的陆面模式相结合，常被称为“地球系统模式”。

从1900年代到1950年代

20世纪初，地球系统模拟的概念基础开始建立。其中，起到核心作用的是三位有远见的科学家。

可用于计算地球大气中辐射加热速率和通量的方法出现在20世纪上半叶。即使在今天，改进大气模式所需的实际计算仍然令人生畏，根本原因是辐射传递方程中的参数在方程中的解是非线性的，这些参数在地球大气层中变化很大。

受美国军方委托研制的电子计算机（ENIAC）于1945年完成，在整个20世纪，计算上的挑战引发了有益的见解和新方法。到1940年代末，新的数据源用于全球大气环流开创性的观测研究，其中值得关注的是麻省理工学院维克托·斯塔尔团队、芬兰以及芝加哥大学的埃里克·帕尔门团队、小皮叶克尼斯、加州大学的耶尔·明茨等。这些观测对后来开展的全球大气模式评估带来了动力并成为评估的基础。

20世纪50年代至60年代

20世纪50年代，麻省理工学院的爱德华·洛伦茨提供了对大气能量循环的重要见解。在芝加哥大学，戴维·富尔茨进行了转环模拟实验，重现了观察到的大气全球环流的一些特征。两个研究和许多其他研究都影响了20世纪50年代大气数值模式的发展。

在1950年代，业务数值天气预报在瑞典、美国和日本相继开展，但这些业务模式都不是全球性甚至半球性的。1956年，美国开始使用数值模式对气候进行动态模拟。十年内出现了好几个主要大气全球环流模拟的研究小组。

与此同时，关于边界层、陆面、云和积云对流参数化早期工作取得了一些进展。俄罗斯科学家展示了显热和动量的地表通量如何与温度和风的近地表剖面相关。

数字计算机变得越来越强大。1957年，人造卫星被发射到轨道上，不久之后就进行了基于卫星的定量地球观测。在接下来的几十年中，这两种新技术都对ESM的开发和应用产生了重大影响。

20世纪60年代开发了几个现在具有传奇色彩的针对气候模拟而非天气预测的“鼻祖”模式。GFDL模式由美国国家海洋和大气管理局地球物理流体动力学实验室（GFDL）开发，到1965年，具有相对较高的垂直分辨率，高达惊人的9层。GFDL的海洋建模项目实现了世界上第一个全球海气耦合模式，也可以说，这是第一个真正的气候模式。

20世纪60年代，劳伦斯辐射研究所的塞西尔·利斯创造了Livemore模式，但模式寿命相对较短。UCLA模式于1963年完成，不预测水汽，但它是全球性的，具有现实但分辨率低的陆海分布和地形。NCAR的第一个全球大气模式开发成功，是第一个也是迄今为止唯一的使用恒高陆面作为垂直坐标的准静态全局模式。1960年代，美国国家气象中心开发了第一个业务NWP模式，在未来二三十年内，许多业务天气预报模式采用了与之类似的参数化方法。

20世纪60年代全球模拟领域与今天有一些有趣的不同。首先，所有全球大气和海洋模式都在美国开发，开发模式的动机纯粹是学术性的，主要关注点不是直接的实际应用；团队规模小而且非正式。

20世纪70年代至80年代

在20世纪70年代，英国气象局、法国动力气象国家实验室等模拟项目也相继启动。美国国家航空航天局（NASA）希望实现卫星数据气象应用效益的最大化，因而进入全球模拟领域。

20世纪70年代开始出现业务全球数值天气预报，欧洲中期天气预报中心（ECMWF）成立并迅速成为业务中心中预报技巧的强者。

在20世纪70年代和80年代初期，全球谱方法被广泛用于大气模式的动力核心，在接下来二十年中主导了全球的大气建模工作，现在仍在几个主要模式中心使用。20世纪70年代最重要的架构变化是引入了“矢量”计算，带来了运行更快的模式以及其他作用。70年代，一些全球大气模式向上扩展到包括平流层。

20世纪70年代和80年代是海冰模式发展的黄金时代，在海冰热力学处理方面取得了重大进展，模拟海冰动力学的模式开始出现。1957年-1958年国际地球物理年（IGY），海冰的观测和科学认识得到了扩展。GFDL团队报道了第一个真正意义上的气候模式的全球变暖模拟，预测了在真实大气中观测到的许多变化，包括对流层变暖、极点附近变暖增强、平流层降温、降水增加、大气水汽增加。1983年，NCAR发布了“公共气候模式”（CCM）。

20世纪60年代，气候科学家意识到了温室气体浓度增加导致人为气候变暖的可能性，但这个问题尚未被公众了解。这种情况在20世纪80年代发生了变化，因为观测显示二氧化碳浓度持续增加，美国国会和其他政府机构开始对此感兴趣，更多对气候变化的模拟出现在文献中。今天，ESM的发展越来越受全球变暖问题的驱动。

20世纪90年代至今

1990年，英国气象局成立了哈德莱中心，专门研究地球气候。20世纪90年代，谱半隐式半拉格朗日模式已经成型，被证明对天气预报非常有效，但对于较长的气候模拟，它们受到缺乏守恒的限制。20世纪90年代早期，在天气和气候模式中使用的辐射代码存在许多明显错误，开发新代码时紧密联系了参考模式，越来越详细的微物理参数化也被融合到全球大气模式中。

从20世纪90年代开始，研究气溶胶对辐射强迫的直接影响需求推动了全球气候模式中气溶胶表示的发展。此时，气候模式也开始模拟云对辐射的间接影响，诊断性地将液滴数与气溶胶特性相关联，来模拟气溶胶对云的影响。

随着全球陆-气完全耦合模式的出现，以及对尺度问题的广泛认识，一系列大规模现场试验得到开展，通过量化自然状态的区域陆-气相互作用来评估模式。在20世纪90年代，许多研究使用耦合模式来分析自然界中的陆-气相互作用。

进入21世纪，计算机架构不断发展，对数值方法使用的倾向具有显著影响。从1990年代中期开始，计算机的性能改进主要通过增加处理器数量而不是更快的处理器，大规模并行硬件的趋势将模式推向更高的水平分辨率。

上世纪90年代，研究人员将能源和水的陆-气交换与光合作用联系起来，然后在21世纪头十年纳入了预测物候和动态植被，耦合模式继而被用于分析大气二氧化碳的源和汇。

大多数模拟主要通过二氧化碳施肥效应发展了越来越强的土地碳汇，但参与模式中影响差异很大。几次模拟显示，随着死亡和降解超过光合作用，土地碳吸收量急剧减少，甚至释放出数百亿吨土地碳。对地球系统气候反馈的定量分析表明，碳-气候反馈是云反馈中最不确定的因素之一。

未来

目前，研究界正在考虑一大批大气模拟数值方法，计算机架构的演变可能会继续影响未来数值方法的发展。

过去的一个世纪中，地球系统模式的进步确实是革命性的，综合地球系统模式的发展是20世纪重大但未得到充分承认的科学成就。全面的ESM可以模拟我们在自然界中看到的许多现象，但这种模拟的输出只是一堆数字，不是对自然界的解释。我们必须创建更简单的模式，半定量地再现综合模式的关键结果，才能说我们了解了现实世界。这一鼓舞人心的挑战是科学的最高目标。

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地球系统模式开发

近百年来，全球气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化。气候变暖带来了一系列影响，包括海平面上升、冰川消融、沙漠化加剧以及高温、暴雨、干旱、风暴等极端天气气候事件发生的频率增加，强度加强。

为了减少天气、气候灾害带来的损失，必须深入研究气候变化的机制和原因，并预测未来的变化趋势，以便采取应对措施，而这必须从了解各圈层之间复杂的相互作用出发。因此，耦合各圈层的地球系统模式就成为全球变化研究中最重要的、不可替代的科学手段之一。地球系统模式是在全球环流模式的基础上增加了全球碳循环和地球生物化学过程，有的还增加了大气化学和气溶胶过程等。当前国际气候模式的发展，正在从只考虑大气、海洋、陆面、海冰各圈层间能量和水通量交换过程的物理气候系统模式，走向进一步考虑碳、氮循环等生物地球化学过程的地球系统模式。

从学科发展本身来讲，地球系统模式的雏形———气候系统模式的发展已经成为近20年来国际热门的前沿课题。

在编写IPCC第五次评估报告的过程中，全球有40多个耦合模式参与了国际耦合模式比较计划。这些模式在很大程度上代表着当今世界地球系统模式的发展水平、发展阶段与发展方向。其中，我国有4个单位共6个模式参与，国家气候中心和中科院大气物理研究所各有两个模式，北京师范大学和国家海洋局海洋第一研究所各有一个模式。