本期嘉宾 | 中国科学院院士 周秀骥
问：未来几十年地球的大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈等圈层将发生什么变化？问：全球升温超过1.5℃甚至2℃后我们将面临怎样的天气和气候状况？如果有一个“水晶球”可以帮助人类预知这些问题的答案，那么它极可能就是地球系统数值预报。
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地球系统数值预报是研究全球变化成因和机理、预估未来演变趋势的重要工具，是耦合大气、海洋、海冰和陆表等地球系统分量、定量研究它们之间繁复非线性相互作用的一种大型综合系统。科学家借此可以计算出地球各大圈层的运动变化规律，对地球的过去进行反演，对现在进行观察，对未来进行预测。可以说，地球系统数值预报的水平已经成为衡量一个国家综合科技实力的重要标志之一，也是全球变化研究最为核心的内容之一。通过地球系统数值预报，我们可以预估未来几十年甚至上百年的气候变化状况，了解导致气候和环境变化的因素，以及这些变化的严重程度，从而提升应对能力。尤其是在极端天气气候事件不断加剧的情况下，地球系统方法显得更为重要。“随着现代社会进程不断推进，各种人类活动对地球环境的影响日益显著，对这些影响进行综合性科学评估，并以此为据制定人类社会可持续发展规划，是地球系统数值预报研究的重要课题。”周秀骥说。
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作为应对气候变化国际行动的一部分，我国提出的碳达峰、碳中和目标，是一个既雄心勃勃又极其艰难的目标，机遇与挑战并存。一方面，它体现了我国主动承担应对气候变化国际责任的担当；另一方面，碳中和政策的实施作为历史上规模空前的有序适应气候变化的行动，将对我国经济社会发展产生深远影响。地球系统数值预报将服务于应对气候变化、生态文明建设、“双碳”愿景目标、防灾减灾等国家重大需求，为中国深度参与全球气候治理、贡献中国智慧、推动可持续发展提供重要的科技支撑。今年8月发布的IPCC第六次评估报告第一工作组报告《气候变化2021：自然科学基础》指出，在未来几十年里，所有地区的气候变化都将加剧，极端高温和降水事件将越来越频发。报告指出，除非立即、迅速和大规模地减少温室气体排放，否则将升温限制在接近1.5℃甚至是2℃范围内将是无法实现的。值得一提的是，这份报告很多预估数据的背后都有地球系统数值预报的支撑。地球系统数值预报能够更全面地考虑地球系统的各种过程，特别是全球生态和生物地球化学过程及其与气候系统之间的相互作用，并在此基础上建立起“生态-气温-二氧化碳浓度-碳排放量”的清晰关系，对温室气体核算、未来升温预估提供有力支撑，助力碳达峰、碳中和目标的实现。
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当前，全球气象事业已经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。利用地球系统数值预报对气候变化及其影响进行预测，已成为未来模式的发展趋势。科学家对地球系统数值预报寄予厚望，希望其在预测长时间尺度上的地球气候和环境变化中发挥关键作用。世界气象组织 （WMO） 提出的2030年目标是，要针对天气、气候、水和环境提供更为准确的观测、预测信息，强调从分钟到年代际，从局地到全球，从天气、水、气候到环境及其影响的全覆盖、无缝隙全球数据处理和预报。这实际上对未来地球系统数值预报模式的性能提出了很高的要求。未来地球系统模式将越来越复杂，模式分辨率越来越精细，同一模式考虑多个尺度的过程，对模拟个体、局地、区域和全球等不同尺度的相互作用的能力将得到不断提升。如何总结中国在地球系统数值预报模式研发领域的经验，客观评估当前面临的机遇和挑战，并以此为基础，瞄准国际前沿，在国家层面合理布局、统筹协调，争取在未来国际竞争中使中国的模式研发和模拟综合水平居国际前沿，这是当前迫切需要思考并解决的问题。周秀骥认为，21世纪是量子信息和人工智能等技术快速发展的新时代，充分吸收应用这些新技术发展成果，将是建立新一代地球系统数值预报业务系统的关键。地球系统数值预报模式的研发需要加深对地球系统的基本物理、化学和生态系统过程的认识，重点关注人类活动与自然系统的相互作用；需要跨越不同学科的协作和结合，包括气象学、气候学、水文学、环境和社会学、经济学等，只有汇聚各领域的研究成果，才能更好地将科学研究、服务和政策决策联系起来；需要加强顶层设计，做好高水平跨学科人才的团队建设，强化国内外数值预报合作，充分有效地吸收与数值预报有关的各类创新成果，开展地球系统数值预报科学技术协同攻关，不断提升预测环境变化和重大灾害的能力。
