“碳中和”之路，“寰”力相助！丨地球模拟实验室_风闻
中科院之声-中国科学院官方账号-2021-06-09 09:01
编者按：地球系统数值模拟装置——“寰”，是国家“十二五”重大科技基础设施项目，它是面向地球科学的高性能模拟装置。中科院之声与中国科学院大气物理研究所联合开设的“地球模拟实验室”专栏，将为大家介绍这一装置的强大功能，及其在应对气候问题，解决环境问题中所扮演的重要角色。
从1880-2020年全球平均地表温度变化可以看出，自19世纪末工业革命以来全球变暖趋势极为显著（视频来源：NASA）
我们的地球在“发烧”
自19世纪末以来，地球的平均地表温度上升了约1.18℃，大多数变暖过程发生在过去40年里，其中2016年和2020年是有记录以来最热的两年。
人类需要为这场“高烧”担起主要责任。
从格陵兰岛、南极洲提取的冰芯数据表明，在上个冰河时代之后，人类活动产生的二氧化碳增长速度比自然界快了250多倍。
在这层越来越厚的“碳被”保温作用下，地球平均温度越来越高，自然界逐渐出现了一些“不适”现象。
最为显著的就是全球冰川消融。从1993年到2019年，格陵兰岛平均每年损失2790亿吨冰，而南极洲每年损失约1480亿吨冰。陆地冰川消融，温度变暖海水膨胀，导致自1880年有记录以来，全球海平面上升了约20厘米。
北极海冰全年最小面积变化情况（图片来源：NASA）
不仅如此，全球温度的升高意味着我们将面临更多极端灾害天气：极端热浪、极端干旱、极端强对流天气以及更为猛烈的台风袭击等等。
然而并不是每个国家都有足够的能力应对这样的自然灾害。随着气候变化下极端天气事件的频频发生，全球“气候难民”人数在不断上升，这为人类危机埋下了隐患。居住在“高烧不退”的地球上的人类该如何应对严峻的气候变化形势及其造成的无法预知的可怕后果？
全球变暖将带来更频繁的山火、更严重的干旱以及更为猛烈的台风（图片来源：NASA）
“碳中和”，人类最佳的选择
既然全球变暖是由于大气二氧化碳浓度的不断升高所造成的，那么当务之急就是限制全球温室气体的排放，将大气中的温室气体浓度维持在一个稳定的水平。
但排放容易减排难，这是一个涉及到科学、经济、政治等多个领域的重大战略问题，解决这一问题需要一个有力的、全球规模的应对制度来支撑。
1992年，联合国环境与发展大会通过了《联合国气候变化框架公约》（简称《公约》），迈出了解决气候变化问题的第一步，这一公约的终极目标是防止气候系统受到“危险的”人为干扰。
《联合国气候变化框架公约》标志（图片来自网络）
《公约》生效一年后，联合国与各国进行承诺谈判，要求各个国家提出具有法理约束力的量化减排指标。经过多轮谈判，于1997年12月达成《京都议定书》，要求发达国家遵守集体减排目标。
随着各国政治意愿和全球合作共赢理念的不断增强，2015年在各国的共同努力下，基于《公约》制定的《巴黎协定》首次提出让所有国家共同致力于实现相同的长期目标：加强对气候变化所产生的威胁做出全球性回应，到本世纪末，将全球平均温升保持在相对于工业化前水平2℃以内，并为全球平均温升控制在1.5℃以内付出努力。
政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布了《IPCC全球升温1.5℃特别报告》
然而实现控制1.5℃温升目标面对着巨大挑战和不确定性。能否把全球平均温升控制在1.5℃以内取决于人类社会在能源、土地、城市、基础设施和工业等方面能否实现前所未有的快速且深远的转型，这将给社会经济带来巨大影响。
中国作为最大的发展中国家，更要展示出我们面对全球问题时的大国担当。2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，强调中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。
2020年9月22日国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话（新华社发，图片来源：UN Multimedia /埃瑟金德尔·德贝贝 摄）
中国作为全球碳排放大国，提出的实现“碳中和”目标的承诺是全球应对气候变化进程中的里程碑事件，得到了国际社会的积极响应。2060年实现碳中和无疑是一个雄心勃勃的目标，但因为目前我国仍处在经济快速发展时期，许多行业和地区的发展仍然依赖化石燃料的燃烧，碳排放量仍在上升——实现“碳中和”并非易事！
在1.5℃温升目标下，不同模式得出的中国需要减少的温室气体排放率。绿色、粉色和蓝色区域表示分别表示二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的情况。（图片来源：Duan et al 2021）
中国“碳中和”之路，“寰”力相助
中国到2060年实现碳中和，实际上就是要努力实现1.5℃温升目标下长期深度的脱碳转型路径，寻求一条保护地球与可持续发展的共存之路。
这是一个复杂的科学问题，涉及人类社会各行业领域与自然世界的相互影响，包括海洋、大气、陆地、生态等等。
2020年12月24日，中国科学院大气物理研究所成立全国首家从事碳中和基础研究的科研机构，旨在为我国实现碳达峰、碳中和提供科学路径和科技支撑。
中国科学院大气物理研究所碳中和研究中心（筹）挂牌成立
中科院大气物理研究所自2011年起就承担了中科院A类先导专项“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”，初步建立起地基、天基和空基相结合的观测系统以及数据反演计算的方法体系，可支撑全国各地市碳排放、碳源汇收支的精确核算与科学评估。
不仅如此，由大气所牵头的国家重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”——寰（EarthLab）即将建成，以进一步支撑我国在“碳中和”方面重大决策的制定。
地球系统数值模拟装置，简称地球模拟实验室。人们用数学物理方程描述地球系统各大圈层中的自然物理过程（如大气运动方程、热力学能量方程等），输入观测数据后利用超级计算机对这些方程进行数值求解，从而能够推演出不同圈层的变化。如果拥有地球模拟实验室，我们就能够在超级计算机上进行全球规模的科学计算，在此基础上模拟地球的现状，预测未来的气候变化。
地球模拟实验室 “寰”将于2021年在北京市怀柔科学城东部组团密云经济开发区初步建成
无论是1.5还是2℃温升目标，均是基于全球先进的地球模拟实验室计算出来的——通过计算出不同碳排放量产生的升温预估以及气候系统各圈层对升温的响应，最终确定一个合适的温升目标。这必然涉及到对全球碳源汇收支的科学评估，对碳氮循环过程、生物地球化学过程的全球尺度模拟，是一项具有宽广时间尺度的超级计算工程。
我国的地球模拟实验室“寰”具有过程完善的地球系统模式以及面向地球科学的高性能计算机系统，能够实现高精度的数值模拟计算，以应对宽广时空尺度上的气候系统的非线性计算。
“寰”计算机硬件平台“硅立方”展示图
不仅如此，“寰”能够更全面地考虑地球系统的各个组成部分，特别是与地球生态系统和生物地球化学过程的相关模拟及其与气候系统的相互作用，在此基础上建立起“生态-气温-CO2浓度-碳排放量”的清晰关系。
比如陆地系统作为全球最重要的碳汇之一，其作用在制定“碳中和”决策中不可忽视。“寰”使用的新版全球植被动力学模式（IAP-DGVM）能对全球植被分布和碳通量进行准确的模拟，从而更准确地把握陆地生态系统对全球变化的响应和反馈。
因此，“寰”的建成和使用将为我国制定“碳中和”决策和实现“1.5℃温升目标”提供强有力的科技支撑。
“寰”模拟的全球陆地生态系统自然植被分布情况
放眼全球，美国、日本等发达国早已建成了地球系统数值模拟装置。“寰”的问世表明中国在地球模拟科学特别是在全球气候变化学术领域不再处于被动地位，在应对全球气候变化问题时，我们将能够掌握更多的话语权！
参考资料：
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3. https://zhuanlan.zhihu.com/p/315079133
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来源：中国科学院大气物理研究所