CAS-ESM2.0成功實現(xiàn)大氣CO2的全耦合模擬
發(fā)布日期:2023-09-22 【字號:大 中 小】
2023年9月22日,地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置核心軟件——中國科學院地球系統(tǒng)模式(CAS-ESM)的研發(fā)團隊在《ADVANCES IN ATMOSPHERIC SCIENCES》(AAS)上發(fā)表了關于CAS-ESM大氣CO2全耦合模擬的最新研究進展。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,并能夠合理的計算大氣CO2的時空變化。
CAS-ESM團隊在地球系統(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)變化的模擬結果(攝影:李國強)
CO2是地球大氣中關鍵的溫室氣體,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濃度的增加會顯著影響全球氣候和生態(tài)環(huán)境,包括通過有效輻射強迫加劇全球氣候變暖、通過施肥效應促進植物光合作用等。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劃為此設計了大氣CO2排放驅(qū)動試驗(emissions-driven runs)。該試驗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,還要能夠計算大氣CO2的時空變化。但是,目前國內(nèi)外實現(xiàn)這類大氣CO2全耦合試驗的地球系統(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)團隊一直致力于研發(fā)具有中國自主知識產(chǎn)權的地球系統(tǒng)模式。為實現(xiàn)大氣CO2的全耦合模擬,CAS-ESM研發(fā)團隊把同時考慮野火和植被演變的自主研發(fā)的全球植被動力學模式、海洋生物地球化學模型等耦合進入CAS-ESM。經(jīng)過堅持不懈的努力,CAS-ESM2.0已成功實現(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現(xiàn)具有重要的研究和應用價值。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)模式關于大氣CO2模擬誤差的原因和具體物理機制。另一方面,可以為“雙碳”戰(zhàn)略提供科學的支撐,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(動圖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(球屏動畫by朱家文&中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心GPVis可視化團隊,攝影:李國強)
論文的作者團隊包括中國科學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、費可測、靳江波,北京師范大學紀多穎,紐約州立大學石溪分校張明華;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設施項目“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”、國家重點研發(fā)計劃項目(2022YFE0106500)、中國科學院青年創(chuàng)新促進會(2022076)等項目的支持。