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站在地学研究前沿 应对全球变化挑战

访清华大学地球系统科学研究中心

来源:科技日报 2013-10-11 李艳

  9月中旬,教师节过去不久,清华大学地球系统科学研究中心办公楼里仍挂着学生们自己设计的谢师海报,特色明显。与这些海报并排贴着的便是各种讲座信息以及中心新近发表的论文,90%是英文,内容五花八门,有关于大气环流的,有关于湿地保护的,有力学领域的,还有计算机领域的……涉及的领域和学科十分广泛。

  这便是清华大学地球系统科学研究的特点——交叉性与国际化。2009年初,为深入研究地球系统的运行规律,以及人类活动对地球系统所产生的影响,为中国乃至世界培养应对全球变化方面的高层次人才,清华大学成立了地球系统科学研究中心。一年后,又以中心为依托,联合计算机系、环境系、核能研究院等院系成立全球变化研究院,围绕全球变化问题组织开展多学科交叉研究。

历史与现实,清华复建地学

  全球变化研究是依托地球科学、生命科学、计算科学和社会科学等多学科交叉发展起来的新兴研究领域。全球变化,包括气候变化和地球系统多圈层相互作用引起的环境变化,已经引起了国际科技界、经济界、政界以及整个国际社会的严重关注。王斌是清华大学地学中心最早的双聘教授之一。他告诉记者,全球变化导致的干旱、洪涝等极端天气、环境污染、粮食安全、人类健康等全球性问题已经影响到全人类的生存和发展。人类从未像今天这样,迫切需要了解赖以生存的地球的运行机理,从而理解人类活动对地球系统的影响,并进一步预测地球系统的未来演变。

  实际上,清华大学的地学学科有着悠久光辉的历史。1929年成立地理学系;1933年,地理学系易名为地学系,下设地理、地质、气象三个组;1946年,抗战结束后,西南联大结束,清华大学在北平复学,地学系恢复;同年,原有的地学系气象组独立成气象学系;1950年,地学系地质组单独分出,成立地质系;1952年,院系调整,清华大学地学系调整到北京大学,成立地质地理系。地学中心副主任罗勇告诉记者,2009年,清华大学校务会议讨论通过成立清华大学地球系统科学研究中心和全球变化研究院的决定,是基于历史和现实的双重考虑。

  “一方面有很多老校友一直在呼吁复建地学,另一方面校方也意识到在全球变化的大背景下地学学科的重要意义,所以复建地学是清华努力多年的方向。校方与科技部前部长徐冠华院士讨论后一致认为,清华作为地学的后来者应该突出交叉学科的优势,以全球变化研究作为复建地学的突破口。”罗勇说。

交叉优势让清华地学走得更远、更快

  正如当初设想的那样,清华大学地学中心在交叉学科建设上的努力取得了明显的进展,逐渐得到了业界的认可。

  地学是一个学科群,包括大气科学、海洋科学、地理学、地质学、地球物理学,加上生态学,六个学科都是地学学科群的组成部分,这其中与全球变化研究关系最密切的就有好几个。罗勇告诉记者,国内的许多研究机构和高等院校都具有长期的地学研究积累,各有特色。他说,在大气科学领域,中科院大气物理所、北京大学、南京大学、兰州大学、浙江大学、中国科技大学、南京信息工程大学等都从事大气科学研究多年,具备雄厚的研究积累。清华作为后来者主要还是把发展目标集中在跨领域、多学科的交叉融合上。

  罗勇认为,清华能这样做主要在于它在很多领域有很强的优势,比如清华的计算机科学与技术、软件工程、环境科学与工程、生物学、管理科学与工程等等,都在最近一次学科评估中名列前茅。在清华这样一个大背景下,发展多学科交叉的全球变化研究具有得天独厚的基础和优势。

  “现在我们已经具备了自主发展的能力。在这个团队中,有来自清华计算机学院的教授,还有来自经济学领域的教授,相比别的地学研究机构,清华地学最大的优势在于地学与其他学科的完美融合。”

  作为第一批进入清华大学地学中心的老师,王斌对这些年的发展极有感触。“当时真是一穷二白什么都没有”,王斌回忆当时的情况。现在,经过三年的努力,团队已经颇具规模,在国际上的学术地位不断上升。

  在全球变化问题的研究上,我国的起步相对较晚。“我们国家以前几乎没有一个学科交叉性如此广泛的研究机构。清华从地球系统科学的角度来研究全球变化,这是一个极为明显的特色”,罗勇说。他告诉记者,仅仅三年的时间清华地学中心已经拥有了学科结构比较合理、队伍较为完整、初具规模的研究团队,同时也在许多领域取得了令人瞩目的成绩。“在地球系统模式发展方面,地学中心的模式团队与国内发展地球系统模式的优势团队合作,充分发挥各自优势,实现了高效并行计算、分量模式的耦合集成等方面的重要突破,在完成第五阶段国际耦合模式比较计划的数值试验方面取得了圆满的成功。在863项目的支持下,经过清华模式团队的不懈努力,已自主研发成功国内首个模块化并行耦合器,并已经过耦合模拟的正确性检验,已于9月22日正式向国内公开发布使用。为获取地球系统模式发展所必需的更加准确的地表参数,地学中心承担的国家863重点课题于2012年首次完成世界上30米最高分辨率的全球地表覆盖制图;并于2013年完成世界上首个30米分辨率的农地分布制图;全球地表覆盖制图的水域研究内容被用于2013年科技部面向世界首次发布的《全球陆表水域面积分布状况遥感监测年度报告》。地学中心开发了嵌套式的高分辨率大气化学传输模式,将我国的网格精细度提高60倍,获得了更加精确的臭氧浓度分布;所开发的嵌套模式已被20多个国内外研究机构采用。地学中心开发了10种大气成分的中国高分辨率排放清单,将空间分辨率提高了一个数量级,同时提高了精度;数据先后支持了多个国内外大型研究计划,并被全球40多个研究组所采用。地学中心建立了国内首个红树林湿地碳通量观测平台,估算了中国与全球红树林碳汇潜力,得到许多国际机构的重视与肯定。”

挑战地球系统模式,满足国家战略与百姓生活的需求

  5月31日,《科学》杂志的一篇文章从国际上50多个模式中选取了4个模式研究云和降雨对变暖的响应,清华大学地学中心与中科院大气所联合发展的地球系统模式就在其列,这让王斌和他的同事们非常振奋。

  “对于地学特别是全球变化研究,很多人觉得特别高深,离老百姓特别遥远,其实它与大家的生活息息相关”。王斌说。气象灾害的发生几率和成因什么样的?生态环境各方面的情况怎样?雾霾会不会进一步恶化?温度还会不会继续升高?这个夏天是否会多雨,哪个区域会多雨?海洋环流的情况将会是什么样子?这都是地球系统科学研究涉及的核心内容。“我们的工作是通过定量模拟的方法来研究地球系统的运动和演变规律,预测未来10年到30年地球的变化趋势,这对国家的中长期规划,对大型基础设施的设计建设都具有极为重要的意义。”

  如何获得科学的地球系统科学研究结论,模式的模拟结果是最重要的依据之一。清华大学参与发展的气候系统模式就是其中之一。“只有模式才能预测未来,所以国际上所有发达国家都特别重视模式研发。每一次联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)报告的主要核心结论都是基于模式研究的结果”,王斌说。

  王斌告诉记者,地球系统模式的发展水平已经成为衡量一个国家综合科技实力和核心竞争力的重要标志之一。加速发展我国自己的地球系统模式,是应对全球变化挑战、环境治理和防灾减灾的迫切需求。

  发展模式是一件非常困难的任务。王斌用十年磨一剑来形容其中的艰难,他说,美国国家大气研究中心(NCAR)和地球物理流体实验室(GFDL)做了50多年才有了今天的成绩。罗勇告诉记者,联合发展,强化合作,在国际比较中发展壮大,注重后备力量建设,清华大学为我国地球系统模式的发展注入了新的活力。面向未来五年,超前谋划,清华大学的模式团队将进一步加强与国内其他模式组的通力合作与协同发展,致力于联合地球系统模式的自主研发。同时,还将深化对地球系统的科学认识,直接应用于改进和提升模式水平,从而形成模式发展与地球系统理论相互促进的良性互动,真正站到世界模式发展的最前沿。

 

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2013-10-11 15:13:15]
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