新模型能否玩轉地球 美能源部將首測特彆氣候模型

新模型模擬北大西洋颶風以及隨之而來的寒冷海域。圖片來源：MATHEW MALTRUD

世界上日益增多的氣候模型中又增加了一個備受矚目的新選項。經過近4年的研究，美國能源部（DOE）近日公布了模擬地球系統的一個雄心勃勃項目的計算機編碼和初始化結果。這個新模型計劃在未來的超級計算機上運行，其設計目的不僅僅是預測氣候變化如何改變，還有這些改變如何給能源基礎設施帶來壓力。

即將產生的全球模型的對比結果或可展示新模型的表現如何。但到目前為止，它收到的反應不一，一些人質疑需要另一個模型，還有人說這個斥資8000萬美元的項目仍須提高未來氣候的預測水平。即便是該項目的首席科學家、華盛頓州里士滿西北太平洋國家實驗室（PNNL）的Ruby Leung也坦言，該模型並非領先者。「我們並不期待我們的模型會讓全世界驚嘆。」她說。

自20世紀60年代開始，氣候模型專家就利用計算機構建虛擬地球。他們把大氣和海洋分為數千個盒子，並給每個盒子分配天氣狀況。然後根據物理定律，這些「玩具模型」世界在模擬的世紀中演化。從歷史角度看，DOE對氣候模型的主要貢獻是基於科羅拉多州博爾德市國家大氣研究中心（NCAR）的社區地球系統模式（CESM）。但在2014年7月，DOE啟動了加速能源氣候模型。其目標是預測暴風雨和海平面上升會如何影響發電廠、大壩和其他能源基礎設施，並聚焦諸如北美或極地等區域。DOE官員還期望有一個能夠在下一代宏大的「百萬兆級」（即百億億次計算）計算機上運行的模型，該計算機預計在2021年啟動。

這個項目整合了來自DOE下屬的8個國家實驗室的研究人員。它開始時為CESM的碳模擬副本，保留了類似的大氣和土地模型，但卻包括了新的海洋、海冰、河流和土壤生物化學模擬。DOE團隊將垂直圖層的數量增加了一倍，將大氣延伸得更高，並採用了一種數字處理方法，該計算密集型方法能更容易地分解成塊，並在預期的「百萬兆級」機器上同步運行。NCAR氣候科學家Richard Neale說，「對他們來說，往這個方向走很合理。」

2017年，在美國總統唐納德·特朗普執政並使美國撤出《巴黎氣候協議》之後，DOE放棄了項目名稱中的「氣候」一詞。加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室項目負責人David Bader說，新的名字，即百萬兆級能源地球系統模型（E3SM），可以更好地反映該模型對整個地球系統的聚焦。

E3SM的第一個結果突出了它的潛力：包括用超清晰的25公里寬的網格單元運行的模型，足以模擬諸如海洋渦漩和高山積雪等小型特徵。但即便如此，這幅圖像仍然過於粗糙，無法分解單個雲層和大氣對流，這是限制模型精度的主要因素。一些科學家懷疑它是否能改善預測。最後一次相互對比在2014年結束，其中包括26個模型組（比前一輪多9個），但最終得出的集體預測並沒有更精確。德國漢堡馬克斯普朗克學會氣象研究所氣候科學家、代號名稱為「CMIP6」的新相互對比項目共同負責人Bjorn Stevens表示，「我認為沒有任何證據表明，僅僅擁有更多的模型是推進這一領域的關鍵。」

考慮到DOE能源部的百萬兆級計算機尚不存在，紐約市美航天局戈達德太空研究所（該所也開發了一個全球氣候模型）負責人Gavin Schmidt對新模型的原理提出了質疑。他在推特網上寫道：「沒人知道這些機器到底會是什麼樣子，所以很難提前為它們建立模型。」PNNL氣候科學家、使用CESM做研究的Hansi Singh說，E3SM的計算強度也有不足之處。要用E3SM獲得結果所需要的計算量會讓大多數高校集群受到打擊，從而限制了外部科學家使用它。

Bader說，關於氣候對二氧化碳敏感性的一個初步結果將「引起一些關注」。大多數模型推測，如果二氧化碳高於工業化前水平的兩倍，全球平均氣溫將上升1.5℃~4.5℃。而E3SM的預測結果則明顯更高，達到5.2℃。Leung推測，這是由於該模型處理氣溶膠和雲層的方式造成的。和許多模型一樣，E3SM會在熱帶地區產生兩個降雨帶，而不是自然界赤道附近一個降雨帶。

對E3SM的第一個測試將是它在CMIP6中的性能。包括韓國、印度、巴西和南非在內的近36個建模小組預計將從現在到2020年向相互比對項目提交結果。每個小組將把數千個計算機小時投入到標準的場景中，例如模擬二氧化碳每年增加1%以及突然增加3倍的影響。

但考慮到先前相互比對的緩慢提升速率，很少有人期望E3SM或其他模式能產生革命性的見解。Stevens希望修改這項操作以鼓勵創新，比如在形成單個雲層所需的1公里的解析度下模擬氣候，或是以競爭形式收集新的數據。「CMIP的整個前提是讓每個人都做同樣的事。」他說，「所有人都知道，突破來自於讓人們做不同的事情。」（晉楠編譯）

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