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國產(chǎn) “大氣神探” 橫空出世!新一代空氣質(zhì)量模式精度飆升

2025-7-10 10:22 來源: 科技日報 |作者: 代小佩

     科技創(chuàng)新是美麗中國建設(shè)的重要支撐。今年以來,多項涉及生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域科技創(chuàng)新的重要文件發(fā)布,為全面實現(xiàn)綠色低碳科技自立自強提供了更加完善的頂層設(shè)計。據(jù)此,本報開設(shè)“技術(shù)破題 綠見未來”欄目,選取應用效果顯著、前景廣闊的生態(tài)領(lǐng)域科技項目案例進行解讀。

  如何才能更加科學精準地預測大氣污染?這是生態(tài)環(huán)境和氣象學領(lǐng)域的一大難題。

  為了解決這個難題,國內(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)律和機理,開展空氣質(zhì)量評估和預報。

  去年11月,我國發(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,這項由我國科學家依托國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“寰”自主研發(fā)的成果,入選了中國科協(xié)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)學聯(lián)合體發(fā)布的2024年度中國生態(tài)環(huán)境十大科技進展。

  “寰”提供強大支撐平臺

  大氣污染治理,離不開科學精準的大氣污染預報。長期以來,大氣污染預報都是一項科研難題,而對爆發(fā)式污染增長、重污染形成過程等進行精準預報,更是一種挑戰(zhàn)。

  “以往,研究者一般通過對大氣化學組分的模擬分析,得出大氣污染情況結(jié)論。但預測結(jié)果與現(xiàn)實偏差往往較大?!敝袊茖W院大氣物理研究所研究員王自發(fā)說。

  為了得到更加科學精準的大氣污染預報,開辟新的預測方法勢在必行。

  “空氣質(zhì)量模式是綜合表征污染物排放、大氣物理和化學過程的核心工具,是大氣污染精準預報與科學調(diào)控的重要基礎(chǔ)??諝赓|(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,并可對污染過程進行預警?!蓖踝园l(fā)介紹。

  因此,國內(nèi)外都在空氣質(zhì)量模式方面布局研發(fā)力量。

  然而,相比國外空氣質(zhì)量模式研發(fā)現(xiàn)狀,我國空氣質(zhì)量模式研發(fā)存在三大突出問題:一是研發(fā)資源分散,導致重復建設(shè);二是原創(chuàng)新機制集成度低;三是區(qū)域復合污染預報準確率不足。“這些問題嚴重制約了國產(chǎn)空氣質(zhì)量模式的國際競爭力?!蓖踝园l(fā)說。

  位于懷柔科學城的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“寰”為扭轉(zhuǎn)這一局面帶來了希望。

  “寰”是由中國科學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個圈層的相互作用。

  中國科學院大氣物理研究所研究員鄭飛表示:“‘寰’就是一個數(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,相當于把地球裝進了實驗室?!?/div>

  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”,基于中國科學院大氣物理研究所20多年研發(fā)嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預報模式NAQPMS的經(jīng)驗,中國科學院大氣物理研究所的研究人員聯(lián)合來自北京大學、清華大學、南京信息工程大學、暨南大學等機構(gòu)的研究人員組建開放團隊,開始自主研發(fā)新一代國產(chǎn)空氣質(zhì)量模式EPICC-Model。

  三大創(chuàng)新實現(xiàn)技術(shù)跨越

  在EPICC-Model的研發(fā)過程中,上述團隊通過三大創(chuàng)新實現(xiàn)了技術(shù)跨越。

  首先是打造我國大氣環(huán)境數(shù)值模式開源底座。

  王自發(fā)介紹,研究團隊采取了“插拔式”模塊架構(gòu)構(gòu)建技術(shù)?!安灏问健蹦K,通俗來說就是把復雜設(shè)備拆分成獨立的“小零件”,用的時候插上,不用或壞了就拔掉,讓復雜設(shè)備的運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)團隊建立了完善的版本控制管理體系,開發(fā)出化學動力學模擬求解器,分布式內(nèi)存并行(MPI)與異構(gòu)計算混合并行算法,以及異構(gòu)平臺數(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、可維護性、可擴展性及高效計算等,打造出我國大氣環(huán)境數(shù)值模式開源底座。

  “基于這個開源底座,研發(fā)團隊實現(xiàn)20余家科研機構(gòu)高效協(xié)同創(chuàng)新,首創(chuàng)我國開放式協(xié)同研發(fā)新范式,并將全國范圍空氣質(zhì)量模擬精度從幾十公里提升至3公里?!蓖踝园l(fā)說。

  其次是突破理化機理協(xié)同耦合技術(shù)瓶頸。

  研發(fā)團隊創(chuàng)新性地提出大氣理化機制耦合方法。什么是理化機制耦合方法?打個比方,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”的化學問題。理化機制耦合方法,就是研究湯里的水和調(diào)料在一起后會發(fā)生何種反應,最后會“煮”出怎樣的天氣或污染的“味道”。這需要計算機同時模擬這兩套過程,并讓它們“互通信息”。

  王自發(fā)說:“新方法首次實現(xiàn)多源觀測數(shù)據(jù)對復雜理化新機制的協(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機制、活性氮源匯新機制、靜穩(wěn)邊界層湍流參數(shù)化方案以及氣溶膠—邊界層雙向反饋機制等復合污染特有核心機制的融合難題?!?/div>

  得益于大氣理化機制耦合方法,研發(fā)團隊最終解決了微觀過程與宏觀建模的協(xié)同難題,使我國區(qū)域污染預報精度獲得顯著提升。

  最后是攻克源排放—理化過程實時耦合難題。

  研發(fā)團隊突破了污染源動態(tài)反演與精細管控的技術(shù)瓶頸,實現(xiàn)了從“靜態(tài)估算”到“動態(tài)反演”的技術(shù)跨越。

  最終,研發(fā)團隊成功研制出了EPICC-Model,該模型總計有20余萬行程序代碼,能科學合理表征氮氧化物、臭氧、細顆粒物(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及其組分模擬準確度提升40%以上,重點地區(qū)臭氧8小時模擬誤差控制在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,可大幅提升我國區(qū)域污染預報能力。

  基于EPICC-Model,研發(fā)團隊還構(gòu)建了公里級大氣環(huán)境預報溯源系統(tǒng),支撐日常預報、重污染應急預警,以及國家重大活動保障等。據(jù)介紹,2024年,我國短期空氣質(zhì)量等級預報準確率達80%以上。在黨的二十大召開期間以及北京冬奧會期間,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),是國家自然科學基金重大研究計劃的三個代表性成果之一,也是2024年懷柔綜合性國家科學中心重大成果。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、法國、德國、韓國等10余個國家研究團隊下載使用?!斑@不僅為重點區(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,也推動了人工智能模型在環(huán)境治理領(lǐng)域的創(chuàng)新應用?!蓖踝园l(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)研究提供一個協(xié)同開發(fā)、集成耦合的開放平臺,助力提升我國空氣質(zhì)量模式的自主研發(fā)效率和先進性,為更好開展大氣環(huán)境治理提供有力的科技支撐?!蓖踝园l(fā)說。

  值得一提的是,EPICC-Model的開源發(fā)布標志著我國空氣質(zhì)量模式研發(fā)打破了以往單個研究團隊主導的研發(fā)方式,并步入了協(xié)同開發(fā)、合作共贏的嶄新階段?!拔磥?,我們會定期進行數(shù)據(jù)更新,把EPICC-Model變成公共的科學模型?!蓖踝园l(fā)說。

  中國科學院院士、北京大學環(huán)境科學與工程學院教授朱彤表示:“EPICC-Model將凝聚全國乃至全球科學家力量,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)美麗中國和全球環(huán)境治理提供強有力的科學工具?!?/div>

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