如何才能更加科學(xué)精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)大氣污染?這是生態(tài)環(huán)境和氣象學(xué)領(lǐng)域的一大難題。
為了解決這個(gè)難題，國(guó)內(nèi)外研究者開發(fā)出多種空氣質(zhì)量模式。
空氣質(zhì)量模式是一種復(fù)雜的大氣仿真系統(tǒng)。其原理是通過模擬污染物在大氣中的傳輸、化學(xué)轉(zhuǎn)化、沉降遷移等過程，幫助研究者研究空氣質(zhì)量變化規(guī)律和機(jī)理，開展空氣質(zhì)量評(píng)估和預(yù)報(bào)。
去年11月，我國(guó)發(fā)布新一代空氣質(zhì)量模式——排放與大氣過程集成耦合社區(qū)模式(EPICC-Model)。
不久前，這項(xiàng)由我國(guó)科學(xué)家依托國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“寰”自主研發(fā)的成果，入選了中國(guó)科協(xié)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)學(xué)聯(lián)合體發(fā)布的2024年度中國(guó)生態(tài)環(huán)境十大科技進(jìn)展。
“寰”提供強(qiáng)大支撐平臺(tái)
大氣污染治理，離不開科學(xué)精準(zhǔn)的大氣污染預(yù)報(bào)。長(zhǎng)期以來，大氣污染預(yù)報(bào)都是一項(xiàng)科研難題，而對(duì)爆發(fā)式污染增長(zhǎng)、重污染形成過程等進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，更是一種挑戰(zhàn)。
“以往，研究者一般通過對(duì)大氣化學(xué)組分的模擬分析，得出大氣污染情況結(jié)論。但預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)實(shí)偏差往往較大。”中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所研究員王自發(fā)說。
為了得到更加科學(xué)精準(zhǔn)的大氣污染預(yù)報(bào)，開辟新的預(yù)測(cè)方法勢(shì)在必行。
“空氣質(zhì)量模式是綜合表征污染物排放、大氣物理和化學(xué)過程的核心工具，是大氣污染精準(zhǔn)預(yù)報(bào)與科學(xué)調(diào)控的重要基礎(chǔ)。空氣質(zhì)量模式可用于灰霾、酸雨等環(huán)境問題的成因分析和污染溯源，并可對(duì)污染過程進(jìn)行預(yù)警。”王自發(fā)介紹。
因此，國(guó)內(nèi)外都在空氣質(zhì)量模式方面布局研發(fā)力量。
然而，相比國(guó)外空氣質(zhì)量模式研發(fā)現(xiàn)狀，我國(guó)空氣質(zhì)量模式研發(fā)存在三大突出問題：一是研發(fā)資源分散，導(dǎo)致重復(fù)建設(shè);二是原創(chuàng)新機(jī)制集成度低;三是區(qū)域復(fù)合污染預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不足。“這些問題嚴(yán)重制約了國(guó)產(chǎn)空氣質(zhì)量模式的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。”王自發(fā)說。
位于懷柔科學(xué)城的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“寰”為扭轉(zhuǎn)這一局面帶來了希望。
“寰”是由中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所牽頭建設(shè)的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置，可模擬大氣圈、水圈、生物圈等10個(gè)圈層的相互作用。
中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所研究員鄭飛表示：“‘寰’就是一個(gè)數(shù)字模擬地球，可以把從古到今到未來的這些大氣、海洋的變化模擬出來，相當(dāng)于把地球裝進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室。”
2023年底“寰”面向全球開源發(fā)布，這意味著全世界的科研人員都可以向“寰”提出關(guān)于地球氣候的問題，并得到“寰”的回答。
依托“寰”，基于中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所20多年研發(fā)嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式NAQPMS的經(jīng)驗(yàn)，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所的研究人員聯(lián)合來自北京大學(xué)、清華大學(xué)、南京信息工程大學(xué)、暨南大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員組建開放團(tuán)隊(duì)，開始自主研發(fā)新一代國(guó)產(chǎn)空氣質(zhì)量模式EPICC-Model。
三大創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)技術(shù)跨越
在EPICC-Model的研發(fā)過程中，上述團(tuán)隊(duì)通過三大創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了技術(shù)跨越。
首先是打造我國(guó)大氣環(huán)境數(shù)值模式開源底座。
王自發(fā)介紹，研究團(tuán)隊(duì)采取了“插拔式”模塊架構(gòu)構(gòu)建技術(shù)。“插拔式”模塊，通俗來說就是把復(fù)雜設(shè)備拆分成獨(dú)立的“小零件”，用的時(shí)候插上，不用或壞了就拔掉，讓復(fù)雜設(shè)備的運(yùn)維像搭積木一樣靈活方便。
基于“插拔式”模塊架構(gòu)理念，研發(fā)團(tuán)隊(duì)建立了完善的版本控制管理體系，開發(fā)出化學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬求解器，分布式內(nèi)存并行(MPI)與異構(gòu)計(jì)算混合并行算法，以及異構(gòu)平臺(tái)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，最終保障了開源底座的規(guī)范性、可靠性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性及高效計(jì)算等，打造出我國(guó)大氣環(huán)境數(shù)值模式開源底座。
“基于這個(gè)開源底座，研發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)20余家科研機(jī)構(gòu)高效協(xié)同創(chuàng)新，首創(chuàng)我國(guó)開放式協(xié)同研發(fā)新范式，并將全國(guó)范圍空氣質(zhì)量模擬精度從幾十公里提升至3公里。”王自發(fā)說。
其次是突破理化機(jī)理協(xié)同耦合技術(shù)瓶頸。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出大氣理化機(jī)制耦合方法。什么是理化機(jī)制耦合方法?打個(gè)比方，大氣是一鍋“湯”，里面既涉及“水怎么翻滾”的物理問題，又有“調(diào)料怎么融合”的化學(xué)問題。理化機(jī)制耦合方法，就是研究湯里的水和調(diào)料在一起后會(huì)發(fā)生何種反應(yīng)，最后會(huì)“煮”出怎樣的天氣或污染的“味道”。這需要計(jì)算機(jī)同時(shí)模擬這兩套過程，并讓它們“互通信息”。
王自發(fā)說：“新方法首次實(shí)現(xiàn)多源觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)復(fù)雜理化新機(jī)制的協(xié)同約束，突破了傳統(tǒng)方法中參數(shù)不確定性大、普適性不足的關(guān)鍵瓶頸，攻克硫酸鹽非均相化學(xué)機(jī)制、活性氮源匯新機(jī)制、靜穩(wěn)邊界層湍流參數(shù)化方案以及氣溶膠—邊界層雙向反饋機(jī)制等復(fù)合污染特有核心機(jī)制的融合難題。”
得益于大氣理化機(jī)制耦合方法，研發(fā)團(tuán)隊(duì)最終解決了微觀過程與宏觀建模的協(xié)同難題，使我國(guó)區(qū)域污染預(yù)報(bào)精度獲得顯著提升。
最后是攻克源排放—理化過程實(shí)時(shí)耦合難題。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)突破了污染源動(dòng)態(tài)反演與精細(xì)管控的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了從“靜態(tài)估算”到“動(dòng)態(tài)反演”的技術(shù)跨越。
最終，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功研制出了EPICC-Model，該模型總計(jì)有20余萬行程序代碼，能科學(xué)合理表征氮氧化物、臭氧、細(xì)顆粒物(PM2.5)等主要大氣污染物的產(chǎn)生和消失等演變過程。
將成環(huán)境治理有力工具
EPICC-Model的成功研制，帶來了顯著生態(tài)環(huán)境效益——使PM2.5及其組分模擬準(zhǔn)確度提升40%以上，重點(diǎn)地區(qū)臭氧8小時(shí)模擬誤差控制在20%以內(nèi)。該模型還支持“沙塵暴—酸雨—臭氧—PM2.5”多污染類型的協(xié)同模擬，可大幅提升我國(guó)區(qū)域污染預(yù)報(bào)能力。
基于EPICC-Model，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了公里級(jí)大氣環(huán)境預(yù)報(bào)溯源系統(tǒng)，支撐日常預(yù)報(bào)、重污染應(yīng)急預(yù)警，以及國(guó)家重大活動(dòng)保障等。據(jù)介紹，2024年，我國(guó)短期空氣質(zhì)量等級(jí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)80%以上。在黨的二十大召開期間以及北京冬奧會(huì)期間，EPICC-Model在空氣質(zhì)量保障中發(fā)揮了重要作用。
EPICC-Model的成功研發(fā)，是國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃的三個(gè)代表性成果之一，也是2024年懷柔綜合性國(guó)家科學(xué)中心重大成果。截至目前，在研發(fā)EPICC-Model的過程中研究人員已發(fā)表論文30余篇。
據(jù)介紹，EPICC-Model代碼及相關(guān)再分析數(shù)據(jù)集已經(jīng)公開共享。截至目前，數(shù)據(jù)已被美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)等10余個(gè)國(guó)家研究團(tuán)隊(duì)下載使用。“這不僅為重點(diǎn)區(qū)域大氣污染治理及減污降碳等政策制定提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，也推動(dòng)了人工智能模型在環(huán)境治理領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。”王自發(fā)說。
“EPICC-Model代碼開源共享，目的在于為大氣環(huán)境模擬及相關(guān)研究提供一個(gè)協(xié)同開發(fā)、集成耦合的開放平臺(tái)，助力提升我國(guó)空氣質(zhì)量模式的自主研發(fā)效率和先進(jìn)性，為更好開展大氣環(huán)境治理提供有力的科技支撐。”王自發(fā)說。
值得一提的是，EPICC-Model的開源發(fā)布標(biāo)志著我國(guó)空氣質(zhì)量模式研發(fā)打破了以往單個(gè)研究團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的研發(fā)方式，并步入了協(xié)同開發(fā)、合作共贏的嶄新階段。“未來，我們會(huì)定期進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，把EPICC-Model變成公共的科學(xué)模型。”王自發(fā)說。
中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授朱彤表示：“EPICC-Model將凝聚全國(guó)乃至全球科學(xué)家力量，面向水土氣污染綜合治理，新污染物和重金屬治理等問題開展技術(shù)攻關(guān)，為建設(shè)美麗中國(guó)和全球環(huán)境治理提供強(qiáng)有力的科學(xué)工具。”
責(zé)任編輯：陸迪
