外太空看地球科普：境地球模拟实验室
外太空看地球科普：境地球模拟实验室虽然现在没有，但是在气候背景的影响下，更是要小心“温水煮青蛙”！“全球变暖”这个名词，大家可能耳朵都快听出茧子了。污染问题并不是独立的，排放源、污染物传输过程极为复杂，更是与气候背景和气象条件高度地耦合在一起。人类活动排放，导致极端气候事件频率和强度都在增加。2019年澳大利亚山火、2020年美国暴风雪都是不可忽略的地球信号！小心！环境污染在升级！ 马斯河谷烟雾事件(左)和洛杉矶光化学烟雾事件(右)从《巴黎协定》的制定到现在“碳中和”目标的提出，世界各国都在为了保护地球这个人类赖以生存的环境而努力。我们能够看到，环境问题逐步得到改善，公众的环保意识也越来越强！或许会有人有这样的想法：都过去很久啦，我们没有再发生过如此严重的公害事件了，对待环境问题，是不是可以稍微松一口气啦？
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。
环境污染在升级
20世纪以来，全球范围内发生了十大“环境公害事件”，包括大气污染、水污染、核泄漏污染公害事件等，使得人类意识到在经济、工业等方面快速发展的同时，环境污染问题也不容忽视。
第二次世界大战前后，由于工业烟尘等有害气体的和“逆温”现象，马斯河谷烟雾事件造成一周内死亡达60人。约十年后，洛杉矶市机动车排放大量的尾气，发生光化学反应而产生臭氧等气体，形成具有剧烈刺激作用的浅蓝色烟雾。除了这两起典型的大气污染公害事件外，切尔诺贝利核事件、伦敦烟雾事件、水俣病事件和福岛核泄露事件也一次次给人类敲响了警钟。
马斯河谷烟雾事件(左)和洛杉矶光化学烟雾事件(右)
从《巴黎协定》的制定到现在“碳中和”目标的提出，世界各国都在为了保护地球这个人类赖以生存的环境而努力。我们能够看到，环境问题逐步得到改善，公众的环保意识也越来越强！
或许会有人有这样的想法：都过去很久啦，我们没有再发生过如此严重的公害事件了，对待环境问题，是不是可以稍微松一口气啦？
小心！环境污染在升级！
虽然现在没有，但是在气候背景的影响下，更是要小心“温水煮青蛙”！“全球变暖”这个名词，大家可能耳朵都快听出茧子了。污染问题并不是独立的，排放源、污染物传输过程极为复杂，更是与气候背景和气象条件高度地耦合在一起。人类活动排放，导致极端气候事件频率和强度都在增加。2019年澳大利亚山火、2020年美国暴风雪都是不可忽略的地球信号！
澳大利亚山火（左）和北方沙尘暴（右）（图片来源：央视新闻、国家气候中心）
现今，主要的大气污染物有二氧化硫（SO2）、悬浮颗粒物（如PM2.5）、氮氧化物（NOX）、臭氧（O3）、一氧化碳、温室气体等。各类大气污染物浓度的空间分布具有全球性和区域性，这说明大气污染问题既要考虑全球性的背景，也要考虑区域性的差异。
历年3月以来我国北方沙尘日数变化（图片来源：国家气候中心）
北方的小伙伴们一定还深刻记得今年3月发生的大风沙尘吧！此次沙尘的日数是从2007年以来同期最多的，也是我国近十年来最强的沙尘天气过程！除此之外，兰州地区在20世纪70年代末也发生过光化学烟雾事件，2013年1月和12月分别在北京和我国中东部地区发生了严重的灰霾污染事件。
2013-2019年我国华北平原冬季雾霾季节臭氧浓度变化，红色圆点越来越多，表明臭氧污染正在加剧（图片来源：Li Ke et al 2021）
那么我国目前面临的污染问题到底具有什么样的特点呢？
随着城市化进程的推进，以京津冀、长江三角洲和珠江三角洲为典型代表的超大城市群逐步形成，污染源分布格局从城市局地污染发展为城市群区域污染。与此同时，大气污染类型也从煤烟型污染转变为一次污染、二次污染并存的复合型污染，灰霾天气、光化学烟雾、酸沉降等多种问题并存。
这使得我国呈现出煤烟型与氧化型污染共存、局地污染与区域污染相叠加、污染物之间相互耦合的复合型大气污染。我国代表性污染物有PM2.5、O3和沙尘。
数值模式来挑战
大气复合污染问题使得我国大气环境治理面临极其复杂的挑战！
“大气污染防治行动计划”、“蓝天保卫战”、“深入打好污染防治攻坚战”、“美丽中国”，我们一直在前进！想要治理复杂的大气污染问题，我们首先需要对大气污染物进行准确的模拟和预报预警，揭示污染的成因，从而采用针对性的防控措施。
数值模式是进行区域大气环境模拟的重要工具，通过结合地面、探空、雷达、浮标、船舶、航空、卫星等多种观测资料，可以量化众多物理化学过程的综合作用，解析不同过程和污染来源相对贡献的时空分布，还可以实现对污染物浓度、灰霾天气等预报预警，方便进行各种污染控制措施的效果评估，能协助制定污染协同控制方案。
大气污染问题涉及地球系统复杂的排放过程，合理和完整模拟再现这些过程是研究大气污染和进行大气污染治理的关键前提！
然而，多种污染物生命周期差异大，秒到年，空间存在非常复杂的多尺度污染传输；大气化学过程具有强的非线性，并且污染物与天气、气候存在复杂的耦合反馈机制。这给大气污染模拟研究提出了重大挑战。
中国科学院大气物理研究所（IAP）多年来致力于研发全球、区域、城市的多尺度大气污染模式系统，并开展了“中国大气复合污染的成因与应对机制的基础研究”集成项目。至今，国内数值模式的发展已经进入第三代，IAP研发的嵌套网格空气质量预报模式（NAQPMS）成功实现了多尺度、多过程的在线数值模拟，荣获了“国家科技进步奖”二等奖！
国内第二代“区域尺度污染物欧拉输送模式”（上）和第三代NAQPMS模式（下）构成图
为了实现大气污染模拟，现有的大气污染模式对化学反应（如气相化学）、物理过程以及源排放过程都进行了简化处理，还有一些复杂过程虽然已建立了较为完善模拟机制（如气溶胶动力过程），但受限于计算条件，这些模拟机制还难以应用于实际大气污染模拟研究。
所以，想要做到精准模拟并预报，海量观测排放数据、超级计算机和先进的模式三者缺一不可。
目前，我国覆盖在全国范围的区域模拟和预测系统的空间分辨率仍停留在10~100公里，且街区尺度模拟困难，预报不确定性大。所以，我们迫切地需要开发能够实现高分辨率、完整描述大气污染物理化学过程的精细化模拟的装置，以揭示我国大气复合污染的机制和成因，为我国污染防控提供关键技术支撑！
环“寰”相扣是破局
诶，是谁在呼“寰”我的名字呀，我这不就来见你了！
“让世界看懂地球”！
国家重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”——寰（EarthLab）即将闪亮登场！也可以形象地称呼它为“地球模拟实验室”！
这个“地球模拟实验室”内有区域高精度大气污染模式分系统，该分系统拥有国内首个全球多尺度嵌套的、具有完全的自主知识产权的大气复合污染传输模式！
区域高精度大气污染模式分系统的框架示意图
它能够模拟大气中化学成分的排放、扩散、对流、化学转化、干湿沉降等过程，模拟臭氧、氮氧化物等气体和沙尘、海盐、硫酸盐、硝酸盐、黑碳、有机碳等气溶胶成分的时空变化。
“寰”能够为沙尘暴、臭氧、酸雨、灰霾、重金属沉降等大气环境污染研究保驾护航，进行空气污染预报预警、评估污染调控，并进一步探究气候-污染排放-区域空气质量相互作用！
“寰”当然不止这一个闪光点！
“寰”还采用全球多尺度嵌套，空间分辨率跨度从几百公里到几公里，同时具备重金属模拟能力、耦合源识别与追踪技术等特点，能够做好污染物“溯源”分析！
最重要的是，“寰”模拟的中国区域的空间分辨率提升到了3km！高分辨率模拟融合观测数据，能够大大地提高我国大气污染预测预警的准确性，提高大气污染预测水平！
气溶胶和大气化学模式分系统具有浓度模拟、预报预警、溯源、环境容量计算等功能
“寰”境无染是未来
“寰”——大国重器，把地球装进了“数值实验室”，提供了面向模式软件的专用超级计算机和我国自主研发的模式软件，融合了全球和我国的多源观测数据。助力“碳中和”，解读气候前世今生未来，预估大气污染和生态环境变化，少不了“寰”的身影！
环境污染在升级，“寰”境无染是未来！“寰”提高了污染预报预警能力，大幅提升我国模拟预测的精准度，支撑我国未来大气污染的精准防控和治理。
参考文献：
1. https://mp.weixin.qq.com/s/ztL6oqzAnOJLGG_UVl1NVA [2]
2. 贺泓 王新明 王跃思 王自发 刘建国 陈运法.大气灰霾追因与控制[J].中国科学院院刊 2013 28(03):344-352.
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4. 王自发 谢付莹 王喜全 安俊岭 朱江.嵌套网格空气质量预报模式系统的发展与应用[J].大气科学 2006(05):778-790.
5. Li Ke et al. Ozone pollution in the North China Plain spreading into the late-winter haze season.[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2021 118(10)
来源：中国科学院大气物理研究所
