如何才能更加科學(xué)精準地預(yù)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(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)律和機理，開展空氣質(zhì)量評估和預(yù)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(xué)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(xué)聯(lián)合體發(fā)布的2024年度中國生態(tài)環(huán)境十大科技進展。

“寰”提供強大支撐平臺

大氣污染治理，離不開科學(xué)精準的大氣污染預(yù)報。長期以來，大氣污染預(yù)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(yù)報，更是一種挑戰(zhàn)。

“以往，研究者一般通過對大氣化學(xué)組分的模擬分析，得出大氣污染情況結(jié)論。但預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)實偏差往往較大。”中國科學(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)精準的大氣污染預(yù)報，開辟新的預(yù)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)過程的核心工具，是大氣污染精準預(yù)報與科學(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，并可對污染過程進行預(yù)警。”王自發(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(dǎo)致重復(fù)建設(shè);二是原創(chuàng)新機制集成度低;三是區(qū)域復(fù)合污染預(yù)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。”王自發(fā)說。

位于懷柔科學(xué)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(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。”

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(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(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)。“插拔式”模塊，通俗來說就是把復(fù)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(fù)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(xué)動力學(xué)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。”王自發(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(xué)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(yīng)，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(fù)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(xué)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(fù)合污染特有核心機制的融合難題。”

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(yù)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(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(yù)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(yù)報溯源系統(tǒng)，支撐日常預(yù)報、重污染應(yīng)急預(yù)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(yù)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(xué)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(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、法國、德國、韓國等10余個國家研究團隊下載使用。“這不僅為重點區(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(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。”王自發(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(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，我們會定期進行數(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(xué)工具。”