地球系統數值模擬歷史回顧及未來發展之機遇與挑戰?

張紹晴，林 璘，劉才力，楊 光，王兆瑛，費云龍，任倩倩，苑詩敏，倪欣寧，王一帆，劉銀杏，楊浩宇，任國志，荀 皓，宋睿哲，蔡金卓，楊 帆，劉博文，郭 錦，陳 玥，盧 綠，李江玉，江應境，王 雪，王凱迪，王振明，于洋洋，趙浩然，王靜菊，馬有為，任斯敏，雍建林

(1.中國海洋大學海洋與大氣學院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室 深海前沿研究中心 海洋高等研究院，山東 青島 266100；3.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266237)

計算流體力學是一門借助于計算機求解流體動力學方程的新興學科，通過代碼編寫程序進行數值模擬與仿真，實現流體動力學演變特征的流體實驗測試、模擬和預報[1-4]。計算模式建立、計算理論方法發展和科學與工程應用是計算流體力學三個主要研究內容[5]。

進入21世紀以來，計算流體力學隨著計算能力的提升而迅速發展，當前已經形成具有算法高效化、模式精細化和應用領域多元化等鮮明特點的學科發展局面。在地球科學領域，數值模擬最早出現在大氣科學，Richardson[6]將有限差分格式引入大氣中的天氣圖分析和相關數學求解研究中，至今，地球流體計算及數值預報研究已有超過100年的歷史。百年來大氣和海洋的數值計算與模擬取得了巨大進步，形成了計算地球流體動力學這一新興交叉學科[7-9]。目前，建立在中國自主設計制造的每秒百億億次浮點運算高性能超級計算機基礎上，我們已經能夠很大程度上實現地球系統在實驗室的“數值孿生”，從而使得在實驗室里研究任何地球系統中的自然過程成為可能，這又將推動地球科學的理論和技術更加蓬勃、迅猛的發展。我們完全可以期望，在不久的將來，地球系統數值模擬可以用數值定量的形式來精準預報、預測地球環境的未來，實現人類打造宜居地球的夢想。

Benjamin等[10]回顧了自1919年開始的人工預報和數值天氣預報的演化進程，并劃分了4個時代，從觀測、理論和數值預報等方面詳細闡述。沈學順等[11]闡述了中國數值天氣預報自主創新的歷史，在計算格式、模式動力框架和四維變分同化等方面都取得了頗具影響的研究成果。此外，前人通過撰寫科學家的人物傳記，記錄了計算地球流動力學的發展進程[12-16]。本文結合最新研究動態對該學科內容進行系統性回顧，延用Benjamin等[10]100年展望回顧文章中的時間劃分方法，將計算地球流體力學100年來取得的進展劃分為四個階段：第一階段(1919—1939年)、第二階段(1939—1956年)、第三階段(1956—1985年)和第四階段(1985—2018年)。

1 第一階段(1919—1939年)：起源

19世紀后期至第二次世界大戰(20世紀40年代初)是計算地球流體力學發展的萌芽階段。這一時期，社會對于預報的需求不斷增加，科技發展使得觀測和通信手段都有所改進，但是由于世界范圍內的計算技術、觀測技術和氣象科學等發展的不成熟，人們所能獲取到的觀測資料十分有限，只能通過經驗法則結合簡單觀測資料外推的方式預報天氣，預報結果的準確性也難以保證[7]。

1.1 理論研究進展

基于Newton、Maxwell等人在18—19世紀使用歐拉方程得到的基礎物理成果，流體動力學概念和流體動力學方程在這一階段共同發展，奠定了現代氣象科學的基礎。早在1913年，近代氣象學奠基人之一的Vilhelm Bjerknes就提出了將物理學的理論方程組應用到實際大氣中，根據已觀測到的大氣狀態計算未來的大氣狀態；幾年以后，Lewis Fry Richardson對這種設想進行了實踐，不過由于當時計算工具的落后，這種設想無疑只是一個“夢想”[17]。雖然關于數值天氣預報的初次實踐以失敗告終，但是Richardson所設計的整套數值方案，盡管依賴于“人工”計算，但已經具有當今數值模式的雛形。

1.2 第一階段代表性人物

氣象數值模式發展歷程中的早期代表性人物是Bjerknes家族和Lewis Fry Richardson(見圖1)。

Carl Bjerknes(1825—1903年)畢業于斯德哥爾摩大學，是挪威數學家、物理學家與流體動力學家。子承父業，Vilhelm Bjerknes(1862—1951年)在1892年取得博士學位后任教于瑞典斯德哥爾摩大學，并于1904年提出通過求解一個非線性偏微分方程組來預測天氣的思想，定義了“預報是氣象學的終極問題”[18]，奠定了數值天氣預報和計算地球流體力學發展的總基調。Jacob Bjerknes(1897—1975年)繼承了祖父和父親的流體動力學研究，在克里斯蒂亞尼亞大學取得博士學位后，歷任卑爾根氣象局局長(1931)、挪威地球物理研究所氣象學教授(1932)和麻省理工學院教師(1933—1934年)，并于1940年成為加州大學洛杉磯分校的氣象學教授，主攻大氣環流研究；其1952年利用高空火箭拍攝的照片進行的天氣分析和預報，屬于最早利用太空技術進行的氣象研究工作。Lewis Fry Richardson(1881—1953年)是英國著名數學家、物理學家，現代氣象學的奠基人之一。他首先發展了有限差分法，提出用數學物理方法求解天氣預報問題并進行了早期的嘗試[17]，于1922年出版了《利用數值方法的天氣預報》。書中詳細敘述了進行預報所需要的動力學模型、數學過程及計算實例。圖1為Richardson構想的“預報工廠”[16，19]。該設想為此后氣象領域的數值研究方法提供了啟發性思路，成為后來數值天氣預報發展的重要引索。

學科的起源總是基于生存需求的樸實思考。在第一階段，社會對預報需求的增加及工業革命等歷史事件推動了該階段的理論和觀測技術的發展。Bjerknes等人基于18世紀的基礎物理成果豐富了流體動力學的理論基礎，卑爾根等氣象學派的建立推動了國際氣象學者間的交流與學習。囿于較為落后的算力條件與觀測技術，盡管以Richardson為首的科學家們所做出的數值天氣預報嘗試都以失敗告終，但是為此后計算地球流體力學的發展提供了寶貴的經驗與構想。在該階段，憑借此前的基礎物理“養分”，計算地球流體力學開始生根發芽。

2 第二階段(1939—1956年)：雛形

第二階段見證了技術進步和飛躍對氣象學，尤其是預報技術產生的重大影響。第二次世界大戰，以及之后的“冷戰”都和這一階段取得的科技進步息息相關。在第二階段初期，天氣預報很大程度上受到20年前卑爾根氣象學院基礎工作的影響。

2.1 發展的時代背景

第二次世界大戰中，有效利用空軍力量是戰爭取勝的關鍵，因此第二次世界大戰“風暴前期”，人們再次認識到提高天氣預報精度的重要性。當時，電子計算機還不存在，自動畫圖軟件也不存在，所以只能用紙筆來記錄觀測數據，用鉛筆和橡皮來分析；再加上描圖紙和一張發光的桌子，就是用來完成預報任務的全部工具了。那時典型的工作場景在圖2中展示。由于受到當時預報環境限制，很多復雜的天氣分析程序不得不簡化[20-22]。

2.2 數值天氣預報的嘗試

John von Neumann是著名數學家，也是第一臺計算機的關鍵設計師。他認識到，流體運動中的非線性傳輸需要強大的計算能力來估算，因此，1947年他在普林斯頓大學高等研究所(Institute for Advanced Study)組建了一個由Charney領導的科學家小組。到1950年初，計算過程的細節已經解決，在馬里蘭州阿伯丁試驗場的電子數字積分器和計算機(ENIAC)在一個月內成功地進行了4次24小時預報，結果出人意料的準確。這項工作指出了渦度非線性平流的重要性，在另一篇具有里程碑意義的論文[23]中有所描述。

普林斯頓小組的工作引起了關注，到了20世紀50年代初，人們普遍認識到計算機生成的預報是以刻畫地球流體力學的控制方程為基礎的。氣象小組利用一個三層準地轉模式，測試了1950年11月美國東海岸強風暴[24]和其他氣旋。這些嘗試并沒有全部取得成功，但引發了科學家們的思考，他們認為使用更加準確的原始方程進行預報可能會得到更好的結果。

2.3 第二階段代表性人物

瑞典裔美國著名氣象學家Carl Gustaf Rossby(1898—1957年)在20歲那年取得了斯德哥爾摩大學數學、天文學、力學學士學位。碩士畢業后Rossby來到美國，在美國氣象局短暫工作后，被美國航空基金會聘用，開創了美國第一條民航航線的氣象服務系統，名顯美國氣象學界。1946年8月Rossby同Neumann在普林斯頓大學召開了第一次討論數值預報的會議，此次會議的召開推動了以數值天氣預報為基礎的地球系統數值模擬由理論到現實的飛躍；1950年Rossby回到瑞典，和斯德哥爾摩大學聯合成立氣象研究所。

Joseph Smagorinsky(1924—2005年)是美國著名氣象學家、美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)和地球物理流體動力學實驗室(Geography Fluid Dynamical Laboratory)的創始主任，是結合計算機和數學模型對全球氣候演變趨勢進行擴展預測的先驅(詳見4.1)。Smagorinsky受邀來到普林斯頓高等研究院，使用電子數值積分器和電子計算機ENIAC對方程進行求解，之后檢驗了對流層中部大尺度運動的可預報性，證明了利用數值過程進行天氣預報具有良好的應用前景。Smagorinsky是最早嘗試利用數值天氣預報新方法，將預報時間延長到1～2 d的研究人員之一。他在1963年發表了一篇開創性的論文[25]，介紹了他使用大氣動力學原始方程來模擬大氣環流的研究，從根本上改變了表征氣候和大氣物理過程發展的建模方法。Smago-rinsky擴展了早期的天氣模式，將諸如風、云量、降水、氣壓和輻射等變量包括在內。后來，他與同事Lilly、Deardorff共同開發了大渦模擬，這是第一個在數值模式中解釋大氣湍流的實用技術。

總之，第二階段在理論認知上有較大提升。由于第二次世界大戰的爆發，對天氣預報提出了更急迫和更高的需求。第一臺計算機誕生，并且認識到流體運動中的非線性傳輸需要強大的計算能力，并且在此階段，在ENIAC計算機進行了4次24小時預報，結果出人意料的準確。但此階段進行的其它數值預報結果差強人意，因此，引發了科學家意識到使用更加準確的原始方程可能會取得更好的結果的思考和探索。

3 第三階段(1956—1985年)：數值天氣預報的形成與發展

3.1 形成與發展的歷程

20世紀50年代初數值天氣預報興起，在天氣預報員經過對科學和技術的快速適應過程后，天氣預報逐漸走向成熟。在第三階段出現了第一個天氣預報模式，用于模擬斜壓波的發展，并改進溫帶氣旋預測。第一次實時數值預報于1954年底在瑞典率先產生。此后1955年初美國新的聯合數值天氣預報小組也獨立進行實時預報，但直到1958年，美國才向天氣預報員提供基于數值預報的天氣圖。早期的預報模式受到計算機能力的限制，開發人員必須綜合考慮分辨率(水平方向和垂直方向，及其相應的時間步長)、預測持續時間、區域大小等。隨著計算機能力的提高，分辨率、時間步長等都更加精細，提高了預測的準確性和及時性。

1956年，在法蘭克福舉行的數值天氣預報國際研討會上，來自美國、日本和11個歐洲國家的50多名與會者展示了開發的天氣預報模式。美國、英國、瑞典、德國和比利時正在發展數值預報方法。1960年，在東京舉行的數值天氣預報研討會與會人數擴展到了131名。同年，日本氣象廳(Japan Meteorological Agency)進行了首次實時數值預報運行，這是第三個采用單層正壓模式的國家[26]。其他國家開始利用原始方程(Primitive Equation)來進行模式預報。1966年，德國氣象局(Deutscher Wetterdienst，DWD)推出了一種用于業務預報的模式，同年美國氣象局推出了6層原始方程模式。日本氣象廳于1975年引進北半球原始方程、推出4層原始方程模式，水平分辨率為381 km。引入了非絕熱過程，尤其是深對流驅動的非絕熱過程，但也導致了虛假的“網格點風暴”問題[27]。1972年，英國氣象局推出了10層原始方程模式[28]。

多層數值預報模式開始通過對次網格尺度過程的參數化來改進模擬能力，包括水蒸氣及其相位變化、對流、輻射、湍流以及地球表面的熱、濕和動量交換，并結合各種成分來描述非絕熱和黏性效應。Richardson[6]很早就認識到，成功的天氣預報必須包括更多的動力過程。20世紀70年代，隨著全球模式的引入，業務化數值天氣預報取得了飛躍性進展，第一次飛躍是1972年美國將6層原始方程模式擴展為9層2.58°經緯度版本[29]。歐洲中期數值天氣預報中心(ECMWF)在1979年推出了一個類似的模式，水平分辨率為1.875 8°，有15個垂向分層，是第一個業務化模式。利用高效的傅立葉變換，Robert(1969年)開發了譜模式。半球譜模式于1976年在加拿大和澳大利亞投入使用。區域模式可以更高分辨率地反映大氣過程。Phillips[30]測試了一個模式，即美國嵌套網格模式(NGM)并于1985年正式啟用。在第三階段所有的模式都采用了靜力近似假定。

3.2 第三階段代表性人物

John von Neumann是美籍匈牙利數學家、計算機科學家、物理學家，被后人稱為“現代計算機之父”。1933年，擔任普林斯頓大學教授的 Neumann將自己的研究領域逐漸從純數學向應用數學轉換，開始準備研制計算機的計劃。1944年，Neumann來到賓夕法尼亞大學摩爾工程學院，正式成為美國第一臺通用電子計算機(ENIAC，Electronic Numerical Integrator and Computer，電子數字積分計算機)研制項目的顧問。1945年末，他成功地說服了普林斯頓高等研究院高層全力支持ENIAC項目，并且意識到數值天氣預報是計算機在數學應用領域面臨的最重要的挑戰之一。1946年8月，Neumann在高等研究院組織并主持了第二個對計算流體力學具有歷史意義的會議。這次會議集結了一批美國當時最有思想的氣象學家，目的是使用ENIAC做出準確的天氣預報。Jule Gregory Charney提出了用于描述大氣運動的簡化方程組和濾波方法，從而與項目組建立了更加緊密的聯系。后來Charney加入該項目的氣象小組，參考1922年Richardson的工作，確定采用Jacob Bjerknes的傾向方程進行預報試驗方案。1950年，項目組利用一層正壓濾波模式，通過 Neumann在計算機上的編程，成功進行了歷史上第一次24小時天氣預報[14]。

解決了預報方案難題的Charney是20世紀最偉大的氣象學家，他對氣象學、大氣動力學和物理海洋學的貢獻是難以估量的。Charney高中畢業時已經熟讀了大部分關于微積分的書籍，之后進入加州大學洛杉磯分校學習數學和物理學[13]。1947年春，Charney來到了奧斯陸氣象研究院，研究如何從基礎流體動力學方程中發展出一套可解的方程組。Charney返回美國后，擔任 Neumann團隊中氣象小組的負責人，并著手解決一系列關鍵的技術問題。1952年春，Charney和他的團隊首次對1950年感恩節期間的溫帶氣旋進行了事后模擬，該氣旋在中大西洋地區造成了大量雨雪，但在當時未能得到成功預報。在嘗試了兩個模式卻完全沒有模擬出低壓系統的爆發性增強后，第三個模式——個簡單的2層正壓模式成功了。盡管得到的低壓中心遠在實際中心的400 km以外，但是這個計算機產生的結果依然能夠幫助預報員模擬出影響東海岸的雨雪天氣[31]。這次預報結果比實際天氣遲到了18個月，卻是數值預報歷史上的巨大成功。之后在Charney的幫助下，美國氣象局、空軍和海軍于1954年在馬里蘭州蘇特蘭建立了一個聯合數值天氣預報小組，用于大規模大氣流動模式的日常運行和天氣的日常預報。美國氣象局很快又成立了一個專門面向研究的小組，由Charney領導，使用計算機進行基本的大氣和海洋研究，極大地推進了計算地球流體力學的發展進程。

中國的數值模擬研究和數值天氣預報的發展離不開顧震潮、巢紀平和廖洞賢等老一輩氣象學家的不懈努力。顧震潮(1920—1976年)是中國現代大氣科學的主要開拓者之一，他獨創性地提出了數值天氣預報可以是一個“演化”問題，而不必是一個初值問題，并指導廖洞賢于1956年發表了一個較為簡單的數值預報實驗結果。顧震潮又帶領巢紀平等在1957年成功地用2層準地轉模式，完成了亞洲區域的24小時和48小時的數值天氣預報實驗。巢紀平是中國科學院院士，長期從事數值天氣預報、中小尺度大氣動力學、積云動力學和熱帶大氣動力學等領域的研究并取得了重要成果。廖洞賢是中國早期從事數值天氣預報的先驅者之一，他在1955年首次用圖解法，對2層模式進行500 hPa形勢進行數值預報求解，預報出導致大規模寒潮的天氣形勢的演變特征，這是我國第一張數值天氣預報圖，從此我國有了數值天氣預報業務[32]。之后他發表了有關動力氣象、數值預報和天氣學的論文60余篇，在模式設計、計算方法等方面都有深入研究。

總結起來，該階段以幾個主要事件的時間節點為主線。1954年，在瑞典誕生了第一個實時數值預報；1955年初，美國新的聯合數值天氣預報小組產生；1956年，在法蘭克福舉行的數值天氣預報國際研討會上，來自美國、日本和11個歐洲國家的50多名與會者展示了開發的天氣預報模式；其時，美國、英國、瑞典、德國和比利時正在發展原始方程模式的數值預報方法。1960年，在東京舉行了數值天氣預報研討會。同年，日本氣象廳進行了首次實時數值預報運行。20世紀70年代，隨著全球模式的引入，業務化數值天氣預報取得了飛躍性進展，第一次飛躍是1972年美國將6層原始方程模式擴展為9層2.58°經緯度版本。歐洲中期數值天氣預報中心(ECMWF)在1979年推出第一個業務化模式。同時，中國也形成了自己的初期大氣海洋環境數值預報業務化系統。

4 第四階段(1985—2018年)：從大氣海洋數值模擬到地球系統模式及氣候變化

4.1 大氣模式及海氣耦合模式的發展

近幾十年來，數值方法幾乎主導了大氣與海洋的預報進程，是計算流體力學向自動化、智能化與現代化快速邁進的一個階段。20世紀90年代后，對氣象衛星的投入不斷提高，新型探空數據的引進，以及更加有效的區域模式的出現，使得數值模式的發展邁向了新的臺階；傳統的人工制作預報圖在這個階段正式走向終結，取而代之的是基于計算機的氣象業務和服務自動化系統(如美國的AFOS工作站)，預報員的職責也由訂正預報結果轉為決策和與非氣象人員進行交流；觀測手段的提高與預報方法的發展有效解決了此前棘手的極端天氣預報等問題，預報準確性得到了實質性提高[10]。

在這個階段，世界范圍內數值天氣預報和計算地球流體力學獲得迅猛發展，以致各國數值預報中心如雨后春筍出現，并取得豐碩成果。如美國國家大氣研究中心(NCAR)通過地面、探空等多種觀測手段與衛星觀測資料的積累，制作并發布了質量優良的再分析數據產品和實時預報數據(https://ncar.ucar.edu/who-we-are/history)，對其他再分析系統開發機構提供了參照的范本，在世界范圍內具有深遠的影響力；歐洲中期數值天氣預報中心(ECMWF)通過建立以譜模式為基礎的數值模擬和預報，開發了一套完備的數據同化系統，提供了覆蓋天氣、氣候不同尺度的實時業務化預報與再分析數據產品(https://www.ecmwf.int/en/about/what-we-do)，為政府公共決策提供科學依據、為科研機構提供基礎性的數據支撐。另外的一個典型代表是現位于美國普林斯頓大學校園的地球流體動力學實驗室(GFDL)。1953年，Smagorinsky在跟隨Neumann和Charney完成學業后，Smagorinsky接受了美國氣象局的職位，成為了聯合數值天氣預報單元的先驅者之一；1955年，在Neumann的鼓動下，美國氣象局在其指導下成立了環流研究部，從此開始了利用計算機使用數學模式研究氣候演變的生涯。Joseph認為他的任務是繼續Neumann和Charney計算機建模程序的最后一步：建立一個三維的、全球的、原始方程的大氣環流模式。GFDL的發展歷史及部分成果如表1所示，是20世紀后半葉及本世紀初計算地球流體發展的一個縮影。

4.2 地球系統科學的建立與全球氣候變化

地球系統科學中一個具有基礎性的研究領域是氣候變化，它和人類生存環境息息相關。氣候關心的時間尺度從季節年際到數世紀，因此合理模擬地球表面流體在較長時間內的運動需要考慮陸面的植被土壤、海冰生消等相關水熱變化過程，形成如圖3所示“地球系統”耦合模式的基本框架。

表1 GFDL發展事件表(引自NOAA)[33]Table1 GFDL development event table (from NOAA)[33]

陸面是天氣/氣候/地球系統的重要組成部分,其物理、化學、生物過程深刻影響著陸地與大氣、陸地與海洋之間的能量和物質交換。大氣內部存在大尺度的慢變運動，但其局部表現為天氣過程的快變特征。海面主要受到太陽輻射、風場和天體引潮力作用，存在潮汐、海浪和風、海流等快變運動，且通過海氣界面與大氣發生顯著的質量及水熱交換；海洋水體通常具有穩定層結——由淺至深，表現為上層低頻、深層超低頻的慢變特征。海冰在高緯和極地作為海氣之間的一個交換驛站而存在，調制大氣海洋的輻射效果，且有明顯的季節變化特征，陸地上的冰蓋變化相對緩慢。各圈層通過海氣界面、冰氣界面、陸氣界面、陸海交界帶、冰海交界面交換傳遞自身發展的信號而耦合在一起，相互作用共同調制天氣氣候狀態的演變。準確描述各組成部分之內的物理、化學、生物過程，計算各分量之間的物質和能量交換,對提高天氣氣候數值預報預測精度,充分理解全球變化帶來的水安全、糧食安全、生態環境惡化等問題的形成機制,并制定相應對策,具有重要的科學和社會意義。

含大氣-陸面-海洋-海冰4個基本分量的耦合氣候模式是政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)作氣候評估的基本工具。在IPCC框架下的世界氣候研究計劃(World Climate Research Programme，WCRP)耦合模擬工作組(Working Group on Coupled Modelling，WGCM)發起的國際耦合模式比較計劃(Coupled Model Intercomparison Project，CMIP)成為氣候變化關鍵問題的研究利器。自1995年以來，WGCM已經先后開展6次耦合模式比較計劃(CMIP1-6)，CMIP1-6提供的模式數據支撐了大量的學術成果，同時為IPCC評估報告提供了重要依據[34-39]。

IPCC大致每6年發布一次評估報告，分別在1990、1995、2001、2007和2013年完成，這些報告已成為國際社會認識和了解氣候變化問題的主要科學依據(見表2)。

表2 IPCC歷次報告主題(根據IPCC官網資料整理[40-41])Table 2 Themes of IPCC reports (organized according to IPCC official website data[40-41])

隨著超級計算機的發展，尤其是新型節能高效超級計算機的快速發展，越來越高分辨率的數值模擬是當今地球環境科學研究的發展趨勢[42]。作為在CMIP5基礎上新增的科學實驗，CMIP6框架下的高分辨率模式比較計劃(High Res MIP)利用超級計算機顯著提高了大氣和海洋模式的時空分辨率，大氣模式最高分辨率可以提高到25 km，而海洋模式最高分辨率可以提高到10 km[42]。

臺風以及超強臺風的預報對于人民生產生活具有重要意義，但是在科學上卻是一個挑戰性的課題。模式的表現力提升遠不僅僅表現在臺風問題上，高分辨率模擬可以顯著提高全球平均溫度變化，海表面溫度和混合層深度的季節變化，極端天氣，以及極端天氣和大氣之間的關系等。因此，計算資源的不斷發展，模式分辨率提高，物理過程更具現實代表性是未來模式發展的大趨勢。隨著分辨率增加，可以更加精準地刻畫臺風的發生、發展、中尺度渦旋的生成和移動、黑潮流軸的結構和強度以及中小尺度渦旋的相互作用等[43-44]，因此臺風的可預報性顯著升高。圖4顯示了1950—2018年間高分辨率和低分辨率模擬的全球熱帶氣旋軌跡及其與觀測值的比較。除熱帶南大西洋外，低分辨率中熱帶氣旋的年數量在所有海盆都被嚴重低估，熱帶北大西洋尤為嚴重：低分辨率中的熱帶氣旋數量每年不到1個，而在觀測中每年有12個,該區高分辨率(6個)和低分辨率模式都低估了熱帶氣旋的數量，但高分辨模式會更接近實測結果。從圖4我們也看到，即使是目前的高分辨率模式，對于超強熱帶氣旋c5的模擬，離觀測也還差得很遠。高分辨率地球系統模式未來的發展面臨諸多挑戰。

得益于電子計算機等現代化計算工具的誕生和科學家們的不懈努力，在計算地球流體力學發展的第四階段，以人工經驗為主的研究和預報方式逐漸被客觀定量的數值模擬和預報方式取代，地球氣候科學作為一門基礎應用學科，走上實證科學的現代化軌道，天氣氣候預報預測的準確性不斷提高。計算地球流體力學在該階段不斷扎根于科技發展的土壤，逐漸變得枝繁葉茂。

5 未來發展：機遇和挑戰

中國自主設計制造的高性能計算機發展迅速，基于超級計算的地球系統數值模擬對現實的刻畫也越來越具有代表性，但仍存在以下發展空間：(1)現有大氣模式分辨率不夠高，模式中不能允許對流云現象發生，不能夠解析大氣風暴氣旋精細結構；不能支持像青藏高原這樣的復雜下墊面對大氣環流的深層次影響機制研究；解析云對流現象，需要大氣分辨率達到3 km，而目前耦合模式難以達到此精度，受分辨率所限，只能采用參數化方案來近似估算云對流過程，這會增加大氣的不確定性，并限制了對局地重大災害、極端天氣事件(如臺風生成和發展)的數值預報水平。(2)海洋模式分辨率不夠高，不能夠允許海洋亞中尺度現象發生，也不能夠解析中尺度海洋渦及鋒面精細結構，不支持準確模擬和預報熱帶氣旋生成所需的局地上層海洋暖核精細結構；解析海洋次中尺度結構需要海洋模式分辨率達到1 km，全球海洋模式目前很難達到此分辨率，因此，不能支持復雜海底地形對海洋環流的影響，嚴重地限制了海洋環流的模擬水平和海洋環境中重大災害事件的預警水平。(3)生物地球化學過程涉及生命生消過程，因此不能簡單地總結為純粹的物理和化學過程；除了將生命現象還原為基礎的物理、化學過程以外，還必須將競爭、分配、繁衍、演替、自控等行為抽象成數學規律，由于生物地球化學過程本身涉及隨時間而變的自然環境，因此在解決此類問題時需要將管理調度與模式調控相結合，進而演變成自然控制論范疇的問題；生物地球化學過程本身的特殊性與復雜性導致現階段地球系統模式解決生物地球化學過程的技術仍不夠成熟，且缺少定量的風險分析與效果評估；生物地球化學過程本身就是碳循環的過程，因此，能科學地代表生物地球化學過程的地球系統模式也是一個實現“雙碳”(“碳達峰”“碳中和”)戰略的科學研究和效果測試平臺。(4)由于地球系統模式涉及眾多學科與繁雜的數據資料，目前地球系統模式的研發工作仍然缺乏系統的管理和組織、國家層面的協調與持續的經費支持，有限的研究團隊分散在不同的單位獨立立項研發，會導致產生不必要的重復研究和資源浪費，降低了模式研發效率，不利于當今地球系統仿真模擬的快速發展。

無縫隙天氣氣候一體化預報，即同一模式預報過程產生天氣和氣候不同時間尺度的預報預測結果，短時間尺度結果為天氣預報，長時間尺度結果則為氣候預報，是未來天氣氣候預報的一個重要發展方向，可以解決目前天氣預報不準確、氣候預報眾說紛紜的現狀，利于打造宜居地球的最終目標。高分辨率耦合地球系統模式，以及相應的高精度再分析數據，在實現無縫隙天氣氣候一體化預報過程中將起到至關重要的作用。所謂再分析，是利用數學模型中的動力學和物理學規律，抽取觀測信息并投影到模式空間，校正模式模擬篇差，重建歷史天氣氣候時空連續演變的過程，它集成觀測分析和理論研究成果，形成完整描述地球氣候系統中各要素的歷史演變數據流；如果說數值模式是人體的骨絡，觀測資料是人體的肌肉，已有的理論研究成果是人體的心臟和主要血脈的話，同化產生分析數據就類似于骨髓造血賦予肌肉生命力的過程，形成的分析數據就是一個有靈有肉的生命整體了。這樣的分析數據是理解地球流體演變中各種動力和物理過程機理的基石，當前時刻的分析數據能反映模式初始化到當前時刻的三維流體連續演變情景，是對未來進行預報預測的初始條件。基于實證科學原理，利用這樣的分析數據研究各種大氣海洋過程，不斷地糾偏校誤，在預報實踐中不斷地改進模式和觀測網結構及觀測手段，更新的模式和觀測體系又可更新分析數據，形成“再”分析數據集，通過這樣循環往復的過程，地球科學在過去半個多世紀獲得了迅猛的發展；不斷地研制再分析數據集、改進模式和初始化，是這個發展過程的核心。

研制超高分辨率耦合地球系統模式，將地球系統各分量中的各種多源觀測信息整合，不僅對解決當前地球科學的基礎科學前沿問題具有重要意義，而且能夠滿足國家重大戰略需求。清晰認知全球變化對極端天氣氣候災害現象的影響機制、提高它們的預報預測精度，是全人類改進生存環境面臨的共同挑戰，是對打造宜居地球的有力支撐，是構建人類命運共同體在地球科學領域的具體落實。

未來，以越來越具現實世界代表性的高分辨率耦合地球系統模擬為最終目標，尚有以下幾點科學技術挑戰：(1)越來越高分辨率的模式，模擬更加精確的多尺度相互作用過程，要求數值方案對現實中的能量串級和逆串級有更加精準的表達能力；(2)越來越高分辨率的模式對各流體分量邊界層過程的數值方案提出了更高的要求，比如更加精細的海氣、陸氣交界面過程描述及相關的湍流混合參數化設計，以及更具現實代表性的生物地球化學過程；(3)越來越高分辨率的預報預測需要更加平衡協調的多尺度非線性強耦合同化來制作模式初始條件和歷史再分析數據集，以推動天氣氣候現象的機理認知和可預報性研究；(4)超高分辨率模擬和預報預測要求在更加節能、計算能力更強的的高性能計算機上發展更加高效并行的模式算子和數值計算方案；(5)超高分辨率模擬和預報預測需要時間上高頻次、空間上高密集的觀測資料來進行檢驗評估。

6 結語

回顧計算流體動力學發展的百年歷史，Richardson、Rossby、Charney和von Neumann等科學家的出現極大地推動了這門學科的發展，他們的學術思想、研究成果和科研經歷都深刻地影響了當時自然科學理論和計算技術的發展。本文以地球系統數值模擬為例回顧了數值計算與模擬的發展歷史；展望未來，該領域的研究熱點將繼續在模式架構，如地球系統耦合模式及其高分辨率模擬計算[45]、多時空尺度的“無縫隙”預報[46]、集合預報與非線性系統可預報性[47]、多源數據分析和“大數據”應用[48]和超級計算機發展[49-50]等方向取得突破。