新一代空氣質量模式將大幅提升預報精度

【技術破題 綠見未來】

◎本報記者 代小佩

編者按 科技創新是美麗中國建設的重要支撐。今年以來，多項涉及生態環境領域科技創新的重要文件發布，為全面實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，本報開設“技術破題 綠見未來”欄目，選取應用效果顯著、前景廣闊的生態領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？這是生態環境和氣象學領域的一大難題。

為了解決這個難題，國內外研究者開發出多種空氣質量模式。

空氣質量模式是一種復雜的大氣仿真系統。其原理是通過模擬污染物在大氣中的傳輸、化學轉化、沉降遷移等過程，幫助研究者研究空氣質量變化規律和機理，開展空氣質量評估和預報。

去年11月，我國發布新一代空氣質量模式——排放與大氣過程集成耦合社區模式（EPICC-Model）。

不久前，這項由我國科學家依托國家重大科技基礎設施“寰”自主研發的成果，入選了中國科協生態環境產學聯合體發布的2024年度中國生態環境十大科技進展。

“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。

“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論。但預測結果與現實偏差往往較大。”中國科學院大氣物理研究所研究員王自發說。

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控的重要基礎。空氣質量模式可用于灰霾、酸雨等環境問題的成因分析和污染溯源，并可對污染過程進行預警。”王自發介紹。

因此，國內外都在空氣質量模式方面布局研發力量。

然而，相比國外空氣質量模式研發現狀，我國空氣質量模式研發存在三大突出問題：一是研發資源分散，導致重復建設；二是原創新機制集成度低；三是區域復合污染預報準確率不足。“這些問題嚴重制約了國產空氣質量模式的國際競爭力。”王自發說。

位于懷柔科學城的國家重大科技基礎設施“寰”為扭轉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”面向全球開源發布，這意味著全世界的科研人員都可以向“寰”提出關于地球氣候的問題，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多年研發嵌套網格空氣質量預報模式NAQPMS的經驗，中國科學院大氣物理研究所的研究人員聯合來自北京大學、清華大學、南京信息工程大學、暨南大學等機構的研究人員組建開放團隊，開始自主研發新一代國產空氣質量模式EPICC-Model。

三大創新實現技術跨越

在EPICC-Model的研發過程中，上述團隊通過三大創新實現了技術跨越。

首先是打造我國大氣環境數值模式開源底座。

王自發介紹，研究團隊采取了“插拔式”模塊架構構建技術。“插拔式”模塊，通俗來說就是把復雜設備拆分成獨立的“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，研發團隊建立了完善的版本控制管理體系，開發出化學動力學模擬求解器，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，最終保障了開源底座的規范性、可靠性、可維護性、可擴展性及高效計算等，打造出我國大氣環境數值模式開源底座。

“基于這個開源底座，研發團隊實現20余家科研機構高效協同創新，首創我國開放式協同研發新范式，并將全國范圍空氣質量模擬精度從幾十公里提升至3公里。”王自發說。

其次是突破理化機理協同耦合技術瓶頸。

研發團隊創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料在一起后會發生何種反應，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”。

王自發說：“新方法首次實現多源觀測數據對復雜理化新機制的協同約束，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。”

得益于大氣理化機制耦合方法，研發團隊最終解決了微觀過程與宏觀建模的協同難題，使我國區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。

研發團隊突破了污染源動態反演與精細管控的技術瓶頸，實現了從“靜態估算”到“動態反演”的技術跨越。

最終，研發團隊成功研制出了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生和消失等演變過程。

將成環境治理有力工具

EPICC-Model的成功研制，帶來了顯著生態環境效益——使PM2.5及其組分模擬準確度提升40%以上，重點地區臭氧8小時模擬誤差控制在20%以內。該模型還支持“沙塵暴—酸雨—臭氧—PM2.5”多污染類型的協同模擬，可大幅提升我國區域污染預報能力。

基于EPICC-Model，研發團隊還構建了公里級大氣環境預報溯源系統，支撐日常預報、重污染應急預警，以及國家重大活動保障等。據介紹，2024年，我國短期空氣質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在空氣質量保障中發揮了重要作用。

EPICC-Model的成功研發，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EPICC-Model的過程中研究人員已發表論文30余篇。

據介紹，EPICC-Model代碼及相關再分析數據集已經公開共享。截至目前，數據已被美國、法國、德國、韓國等10余個國家研究團隊下載使用。“這不僅為重點區域大氣污染治理及減污降碳等政策制定提供了關鍵技術支撐，也推動了人工智能模型在環境治理領域的創新應用。”王自發說。

“EPICC-Model代碼開源共享，目的在于為大氣環境模擬及相關研究提供一個協同開發、集成耦合的開放平臺，助力提升我國空氣質量模式的自主研發效率和先進性，為更好開展大氣環境治理提供有力的科技支撐。”王自發說。

值得一提的是，EPICC-Model的開源發布標志著我國空氣質量模式研發打破了以往單個研究團隊主導的研發方式，并步入了協同開發、合作共贏的嶄新階段。“未來，我們會定期進行數據更新，把EPICC-Model變成公共的科學模型。”王自發說。

中國科學院院士、北京大學環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攻關，為建設美麗中國和全球環境治理提供強有力的科學工具。”