绘一幅虚拟地图 打开人类活动与气候变化的对话框

2019-08-08 09:44 科技日报

视觉中国

  热,热,热……今年这个夏天,即使西瓜冰棍空调电扇齐上阵,似乎也无法缓解炙人的热浪,甚至有人惊呼:地球到了2000年以来最热的时候了!

  这的确不是耸人听闻。《自然》和《自然—地球科学》刚刚发表的两篇论文,考察了公元元年至今(过去2000年)的气温趋势,发现接近20世纪末的全球气温变化速度和区域范围远超过去2000年其他时期的气候波动。

  专家称,这种极端气温与气候变化有关,人们应想方设法减少温室气体排放,否则,极端高温天气可能会越来越多。

  那么,人类的哪些活动对气候变化影响更大一些?气候变化又会怎样影响人类经济和社会发展?由香港中文大学深圳研究院、中国科学院地理科学与资源研究所、南京师范大学和中国科学院大气物理研究所共同承担的国家重大科学研究计划“人类活动与全球变化相互影响的模拟与评估”项目,自2015年启动以来,针对全球变化研究中难以准确模拟人类活动的国际性难题,在构建集成人类活动影响的地球系统模式,模拟及评估人类活动与全球变化的相互影响中取得阶段性重要研究成果。

  用“一把尺子”度量地球圈

  早在数年前,联合国政府间气候变化专门委员会就发布报告称:人类活动尤其温室气体排放“极有可能”是自20世纪中叶开始观察到的全球变暖现象的主因,这一可能性在95%以上。

  既然人类活动对气候变化的影响已经成为一种共识,为何对它的科学研究却没有停止?我们究竟需要弄清楚什么?

  “现有的地球系统模式难以刻画全球变化与人类活动的复杂关系,比如多数研究把人类活动简单地归为温室气体排放、土地利用变化、人为气溶胶等,并且是单向影响,即人类活动对气候变化的影响,反之则是成果寥寥。”香港中文大学太空与地球信息科学研究所所长林珲教授告诉科技日报记者,现有的研究中气候变化与人类活动的反馈作用通常被忽视,将导致对未来气候变化预估的不精确性,难以准确了解植被、生态等要素变化,对政策建议质量产生影响等一系列弊端。

  而在评估和模拟这种相互影响中,又牵出一个全新的科学问题——“一致性评价”,即如何把大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈以及生物圈不同的数值,放在一个系统里进行模拟和预测。

  “比如说,人类活动相对来讲尺度比较小,而地球物理学研究大气、海洋、陆地往往是以经纬网格为单位,所以需要一种新的模式,我们叫做降维,将地球物理学家的大尺度数值缩小到地理学家所描述的一个城市或者一个区域的范围,这样就可以让不同研究的结果实现互通,进而评估全球变化。”林珲说道。

  因此,课题组研究了全球变化下人类社会活动及其环境响应模型,在提高现有气候系统模式水平分辨率基础上,耦合人类活动模型,形成考虑人类活动影响的地球系统模式。

  “为了让人类活动模型和地球系统模式双向合作好,我们将经纬度从2.8度降到了现在的1度,1度相当于100公里,在200hPa纬向风模拟、风应力模拟、海平面气压模拟等方面都获得了更高的精度。”林珲介绍说。

  为中国气候变化提供决策参考

  2017年6月,美国总统特朗普宣布退出巴黎气候协定,引起全球一片哗然。

  巴黎气候协定是全球195个国家共同达成的一项协定,其宗旨是逐步减少导致气候变化的排放,从而防止全球气温大幅上升。

  分析人士认为,美国此举将令发展中国家不愿采取进一步的措施来限制排放,从而可能妨碍整体减排行动,到最后的结果则是气温上升到危险的水平。

  “全球气候变化不仅仅是科学家的事情,已经形成的共识认为,它不再是单一的科学性问题,而会涉及到一系列经济和政策问题。”林珲表示,为了应对气候变化的威胁,一方面要采取国际协议和必要政策,限制温室气体排放;另一方面,需要一个大型的综合性政策模型能够实时模拟反馈气候政策实施后整个能源系统以及土地利用/土地覆盖的变化情况。

  每个国家的经济发展模式和土地利用情况各不相同,因此模型输出的结果不一。为此,课题组在全球变化评估模型(GCAM)基础上,构建了GCAM-China模型,并结合中国实际高耗能产业结构和能源消费结构,细分中国区域工业部门,把中国工业划分为水泥、钢铁、化工、有色金属、造纸、设备制造和其他工业7大类。并对每个部门的燃料类型和能源利用技术进行重新构建,利用中国基年土地数据进行实时更新和校准。

  “有人说,中国的城市化是21世纪最重要的标志,全世界超过60%的钢铁水泥铺在中国大地上,这产生了大量的能耗,如果能够对这样的事件进行描述计算,将更适合中国国情。”林珲说道。

  通过模拟2100年不同温升目标下,全球辐射强迫、温室气体浓度、温升、碳税、减排成本、能源消费和土地利用转换等的发展路径,科研人员发现,通过实现将全球温升控制在1.5摄氏度以内,减排成本将大幅度增加,是控制在2摄氏度温升目标的2倍以上。中国近零排放要从2070年前后提前到2050年前后,能源系统需要发生根本性的低碳转型。

  未来的地图是“活”的

  过去,手持一本地图册走遍全国完全没问题。现如今,每个人的智能手机中都安装了百度、高德或谷歌地图软件,打开软件不光能看到地图,还能搜索到与工作、生活相关的方方面面信息。

  从二维到了三维、全景地图、增强现实地图……未来的地图将会是什么模样?“过去的地图,我们是从上面获取单向信息,地图不能反馈信息给我们,建议的结果也不够智能。”因此林珲得出结论:未来的地图一定是走向智能化的。

  在香港中文大学校园里,一位同学佩戴好传感装置,走在校园中,点开学校网站上的虚拟体验系统,就能在屏幕上看到自己身后拖着一个长长的紫色条带,那是他在行走过程中周围空气污染数值的变化。这就是虚拟地理环境在现实生活中的一次“小试牛刀”。

  虚拟地理环境作为新一代地理学语言,自1998年在一次学术会议上被非正式提出,发展至今已经历整整20年。虚拟地理环境基于真实的地理环境和以地理数据库为核心的虚拟环境,能够帮助我们增强对真实世界的感知、理解与研究,从而帮助推动真实世界的改造与发展。

  “人类活动与全球变化相互影响的模拟与评估”项目其中一大课题就是构建并实现虚拟地理环境,不同于目前的纸质地图,项目团队要实现的“地图”是存在于三维空间中的“活”地图,很多人都能参与到这张地图的规划中来。“足不出户,在全世界各地就能参与到这个共享开放的地图中来。大家根据自己的需求,调节系统参数,系统就能够自动模拟出环境变化。”在林珲看来,这个虚拟地理环境系统能够让大家以最直观的形式加深对现实世界的理解,也能让不同行业的人相互理解,“甚至做水文研究的也能够理解做大气研究的。”

  目前,该系统已在分析与评估不同温升政策对我国粮食产量变化的影响、青藏高原三江源生态状况变化评估与分析中发挥重大作用。

责编:李文瑶
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