【技術(shù)破題 綠見(jiàn)未來(lái)】

◎本報記者 代小佩

編者按 科技創(chuàng )新是美麗中國建設的重要支撐。今年以來(lái)，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(shí)現綠色低碳科技自立自強提供了更加完善的頂層設計。據此，本報開(kāi)設“技術(shù)破題 綠見(jiàn)未來(lái)”欄目，選取應用效果顯著(zhù)、前景廣闊的生態(tài)領(lǐng)域科技項目案例進(jìn)行解讀。

如何才能更加科學(xué)精準地預測大氣污染？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，國內外研究者開(kāi)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。其原理是通過(guò)模擬污染物在大氣中的傳輸、化學(xué)轉化、沉降遷移等過(guò)程，幫助研究者研究空氣質(zhì)量變化規律和機理，開(kāi)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(guò)程集成耦合社區模式（EPICC-Model）。

不久前，這項由我國科學(xué)家依托國家重大科技基礎設施“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(xué)聯(lián)合體發(fā)布的2024年度中國生態(tài)環(huán)境十大科技進(jìn)展。

“寰”提供強大支撐平臺

大氣污染治理，離不開(kāi)科學(xué)精準的大氣污染預報。長(cháng)期以來(lái)，大氣污染預報都是一項科研難題，而對爆發(fā)式污染增長(cháng)、重污染形成過(guò)程等進(jìn)行精準預報，更是一種挑戰。

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

為了得到更加科學(xué)精準的大氣污染預報，開(kāi)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(xué)過(guò)程的核心工具，是大氣污染精準預報與科學(xué)調控的重要基礎?？諝赓|(zhì)量模式可用于灰霾、酸雨等環(huán)境問(wèn)題的成因分析和污染溯源，并可對污染過(guò)程進(jìn)行預警?！蓖踝园l(fā)介紹。

因此，國內外都在空氣質(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)現狀，我國空氣質(zhì)量模式研發(fā)存在三大突出問(wèn)題：一是研發(fā)資源分散，導致重復建設；二是原創(chuàng )新機制集成度低；三是區域復合污染預報準確率不足?！斑@些問(wèn)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(shuō)。

位于懷柔科學(xué)城的國家重大科技基礎設施“寰”為扭轉這一局面帶來(lái)了希望。

“寰”是由中國科學(xué)院大氣物理研究所牽頭建設的地球系統數值模擬裝置，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)數字模擬地球，可以把從古到今到未來(lái)的這些大氣、海洋的變化模擬出來(lái)，相當于把地球裝進(jìn)了實(shí)驗室?！?/p>

2023年底“寰”面向全球開(kāi)源發(fā)布，這意味著(zhù)全世界的科研人員都可以向“寰”提出關(guān)于地球氣候的問(wèn)題，并得到“寰”的回答。

依托“寰”，基于中國科學(xué)院大氣物理研究所20多年研發(fā)嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預報模式NAQPMS的經(jīng)驗，中國科學(xué)院大氣物理研究所的研究人員聯(lián)合來(lái)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)等機構的研究人員組建開(kāi)放團隊，開(kāi)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(shí)現技術(shù)跨越

在EPICC-Model的研發(fā)過(guò)程中，上述團隊通過(guò)三大創(chuàng )新實(shí)現了技術(shù)跨越。

首先是打造我國大氣環(huán)境數值模式開(kāi)源底座。

王自發(fā)介紹，研究團隊采取了“插拔式”模塊架構構建技術(shù)?！安灏问健蹦K，通俗來(lái)說(shuō)就是把復雜設備拆分成獨立的“小零件”，用的時(shí)候插上，不用或壞了就拔掉，讓復雜設備的運維像搭積木一樣靈活方便。

基于“插拔式”模塊架構理念，研發(fā)團隊建立了完善的版本控制管理體系，開(kāi)發(fā)出化學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬求解器，分布式內存并行（MPI）與異構計算混合并行算法，以及異構平臺數據融合技術(shù)，最終保障了開(kāi)源底座的規范性、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)境數值模式開(kāi)源底座。

“基于這個(gè)開(kāi)源底座，研發(fā)團隊實(shí)現20余家科研機構高效協(xié)同創(chuàng )新，首創(chuàng )我國開(kāi)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(shuō)。

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(gè)比方，大氣是一鍋“湯”，里面既涉及“水怎么翻滾”的物理問(wèn)題，又有“調料怎么融合”的化學(xué)問(wèn)題。理化機制耦合方法，就是研究湯里的水和調料在一起后會(huì )發(fā)生何種反應，最后會(huì )“煮”出怎樣的天氣或污染的“味道”。這需要計算機同時(shí)模擬這兩套過(guò)程，并讓它們“互通信息”。

王自發(fā)說(shuō)：“新方法首次實(shí)現多源觀(guān)測數據對復雜理化新機制的協(xié)同約束，突破了傳統方法中參數不確定性大、普適性不足的關(guān)鍵瓶頸，攻克硫酸鹽非均相化學(xué)機制、活性氮源匯新機制、靜穩邊界層湍流參數化方案以及氣溶膠—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?！?/p>

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(guān)過(guò)程與宏觀(guān)建模的協(xié)同難題，使我國區域污染預報精度獲得顯著(zhù)提升。

最后是攻克源排放—理化過(guò)程實(shí)時(shí)耦合難題。

研發(fā)團隊突破了污染源動(dòng)態(tài)反演與精細管控的技術(shù)瓶頸，實(shí)現了從“靜態(tài)估算”到“動(dòng)態(tài)反演”的技術(shù)跨越。

最終，研發(fā)團隊成功研制出了EPICC-Model，該模型總計有20余萬(wàn)行程序代碼，能科學(xué)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(guò)程。

將成環(huán)境治理有力工具

EPICC-Model的成功研制，帶來(lái)了顯著(zhù)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(diǎn)地區臭氧8小時(shí)模擬誤差控制在20%以?xún)?。該模型還支持“沙塵暴—酸雨—臭氧—PM2.5”多污染類(lèi)型的協(xié)同模擬，可大幅提升我國區域污染預報能力。

基于EPICC-Model，研發(fā)團隊還構建了公里級大氣環(huán)境預報溯源系統，支撐日常預報、重污染應急預警，以及國家重大活動(dòng)保障等。據介紹，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(kāi)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)，是國家自然科學(xué)基金重大研究計劃的三個(gè)代表性成果之一，也是2024年懷柔綜合性國家科學(xué)中心重大成果。截至目前，在研發(fā)EPICC-Model的過(guò)程中研究人員已發(fā)表論文30余篇。

據介紹，EPICC-Model代碼及相關(guān)再分析數據集已經(jīng)公開(kāi)共享。截至目前，數據已被美國、法國、德國、韓國等10余個(gè)國家研究團隊下載使用?！斑@不僅為重點(diǎn)區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 )新應用?！蓖踝园l(fā)說(shuō)。

“EPICC-Model代碼開(kāi)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(kāi)發(fā)、集成耦合的開(kāi)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(jìn)性，為更好開(kāi)展大氣環(huán)境治理提供有力的科技支撐?！蓖踝园l(fā)說(shuō)。

值得一提的是，EPICC-Model的開(kāi)源發(fā)布標志著(zhù)我國空氣質(zhì)量模式研發(fā)打破了以往單個(gè)研究團隊主導的研發(fā)方式，并步入了協(xié)同開(kāi)發(fā)、合作共贏(yíng)的嶄新階段?！拔磥?lái)，我們會(huì )定期進(jìn)行數據更新，把EPICC-Model變成公共的科學(xué)模型?！蓖踝园l(fā)說(shuō)。

中國科學(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(wèn)題開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，為建設美麗中國和全球環(huán)境治理提供強有力的科學(xué)工具?！?/p>