0. 引言

  《Nature》期刊2015年9月发表的一篇综述文章指出，地球环境模拟和人脑科学、宇宙演化并列为当今三大科学研究重心^[1]。在这三足鼎立中，我们认为地球环境模拟最能体现出比特世界、原子世界、灵魂世界的统一。中国的地球科学研究有其特殊性，既保留了儒家内核的士大夫情怀，又不可避免的兼并了冒险开拓性的清教徒文化。农耕文明难以抑制的为集体做大事的执念，与海洋文明个人英雄专心做小事的胆识，二者的冲突足以让任何一个意志坚定的科研人员感到迷失与困惑。地球科学的终极出口，也就是“Why/意义”的问题，不仅仅是“满足自己的好奇心”，那样容易困在象牙塔里出不来；也不仅仅是“为人民做贡献”云云，倘若如此，那就又走了“提剑了却君王事，功名卖与帝王家”的老路了。我们感谢中国美术学院发起的Inter-World-View (IWV) 项目给我们提供的一个新思路：拥有但能够跳脱自然科学领域，探索如何共同生活与工作的世界观和方法论。面对反全球化浪潮影响、日益偏狭的政客鼓噪、被算法筛选过的互联网信息的冲击，既有形而上的哲学意义和艺术美感，又有“面包黄油”的实用价值，把我们进行科学研究的过程展示出来，并不是件容易的事情。我们姑且试一试吧！

1. 由内向外的探索

  我们生存的这个世界由三部分构成。一个是实体世界，组成成分是原子，它是组成物体的最小的物理结构，无数个原子构成了山川、河流、细菌、人体等客观实体。一个是比特的世界，这个世界是虚拟的，以二进制 byte (比特)的形式存储在计算机中。人类的自然语言、创作的绘画和音乐、数学算法、物理模型、化学公式等都是人类知识的表示形式，都可以转化为计算机可存储的比特^[2]。还有一个世界，它既是虚拟的，又是真实存在的，它就是我们内在的精神世界。精神力量对于客观世界的影响是巨大的，对此有怀疑的人可以翻看旧史，几千个还没演化出语言文字的智人仅仅是因为膜拜同一个图腾符号就能展开大规模合作，抵抗洪涝和干旱。但是，精神力量不是万能的，“扶清灭洋”的视死如归也难挡钢枪铁炮的洗礼。虽有谚语称“天不生仲尼，万古如长夜”，但是作为科研人员，我认为把“仲尼”换成牛顿等人更合适。《自然哲学中的数学原理》等一系列划时代的著作，直接决定了西方所有的理科博士生名义上拿到的都是“哲学学位” (PhD)。

  无论是西方的《圣经》，还是东方的《山海经》，都保存有史前大洪水时代的记忆。由于洪涝等自然灾害的频繁发生，远古时候人们就试图 （或者叫妄图）发现预测天气的方法。但是那个时候的预测主要是以日常经验为主，例如夜观星象、白天看云的形状，混杂着迷信如算卦占卜。而地球环境的计算机模拟以及预测，则代表了自文艺复兴几百年以来自然科学的积累和二战以后技术迅猛进步的产物。自从1971年拥有超大规模集成电路的计算机问世，四十多年以来，地球模拟在气候与天气预测、能源规划、环境污染、人体健康风险、农业、交通、旅游收益等方面发挥了巨大的作用^[3]。地球模拟所使用的数学物理模型，主要是流体力学中描述牛顿粘性流体的Navier-Stokes方程组，也包括质量连续方程、地球自转的科氏效应、热力学第一定律、理想气体方程等，是目前为止尚未被完全解决的方程，只有一些近似的数值特解，没有数学意义上的完美解^[4]。也就是说，计算机使用的物理模型是有缺陷的，但《道德经》云“大成若缺”，并不妨碍我们继续对它进行优化。对计算机模拟的结果进行优化的参考标准，是我们真实观测到的数值，例如仪器测量到的气温、风速、污染物浓度，以及卫星图像解码所得到的云量、海温、地表类型等。

图1 地球环境模拟中的重要物理机制概图，来源: 参考文献[1]。

  现在，在计算机科学发展的助力之下，地球环境模拟和预测结果的准确性大大提高。例如，短期天气（3-5日）和区域空气质量预报准确率可达90%以上，在气候异常事件中提前1个月的预报准确度达到了97%，提前3个月预报准确度为86%。但是进入二十一世纪之后，摩尔定律已经愈发吃力。计算机的性能不可能继续每隔18个月就提升一倍，即使能，付出的能源和环境代价也是相当大的^[5]。稍微将预报的结果准确率从90%提高到95%，可能就要付出10倍以上的电力能源消耗，而这对于缓解气候变化和环境污染的全人类共同目标背道而驰，公共机构即使能负担得起如此大的人力物力消耗，投入产出比也是很低的。

图2 地球模拟系统预报气温。来源：ECMWF-ERA5超算模型

  除了台风等少数领域的预报尚需要提升之外，地球模拟系统能轻而易举的解决几千年以来困扰人类的天气预测等问题，不仅如此，这些科学公式也让我们在天文学、生物学等学科取得惊人突破，但它们有一个重大缺点：无法处理价值和意义的问题。更有甚者，由于科技的进步，价值观变得扭曲起来。有人认为如果工业的发展污染了大气和海洋，造成全球变暖、大规模生物灭绝，那么我们应该赶快打造虚拟世界和高科技避难所，就算地球变得像地狱一样污染严重，也不妨碍他们继续享受。资本家会花几千美元安装室内空气净化系统，有一些超级富豪甚至连自家院子都会装上环境保护设施。2013年，北京的一些贵族学校甚至斥巨资，在网球场及运动场地也盖起了巨大的圆顶帐篷。有太多的人认为，科学家和工程师永远都能使我们免于生态灾难。就算情况极度恶化，科学家和工程师仍然能够打造出一艘高科技的诺亚方舟。对于这种高科技方舟的信念，是对人类未来及整个生态系统的最大威胁之一。但凡一个人还保留一丁点唯物主义的思想，不相信天堂的存在，那么就不该支持这种狭隘的信念。

图3 2000年以来台风路径图，台风的预报是地球模拟不确定性最大的领域之一。来源：中科院地理所。

2. 由物向人的探索

  为了避免陷入计算机资源的军备竞赛，我们决定将地球环境模拟应用到社会迫切需要解决的现实问题上，做到有的放矢——拿着箭不发，赞叹着好锋利，那我们就成了好文玩的收藏家了。我们要解决的终极意义问题，是社会经济的发展如何与和谐的环境、健康的人群共存？随着经济的高速发展，我国传统的工业和农业在走过了近 40 年的以资源换产量的道路后，不得不放缓脚步，面对环境污染加重等诸多问题。酸雨、光化学烟雾、雾霾、沙尘暴、空气污染物的长距离输送等空气污染事件逐渐引起公众的注意。而我们目前致力的工作，便是空气质量预报系统的建立和人群健康风险的评估。

  2014年11月APEC会议期间，许多北京市民拿起相机拍下了难得一见的 “APEC蓝”（图4） 。但是2019年10月1日，国庆期间，天公却不做美，北京处于区域大气辐合区，通俗点讲就是气流汇聚在地面，空气污染物挤在一块散不开。人们迫切地想知道，未来是否能由出现更多蓝天？人们更想知道，不依靠“吹”，单靠人的力量，能不能使蓝天出现的次数增多？

图4 雾霾期间与APEC会议期间北京天空鲜明对比。

  一个人只有世界观是正确的，然后他改造世界的方法论才是正确的。只有对大气环境有了一个点、线、面三维立体的全面认知，才能做出可靠的预报结果，然后才能谈论做出对应的污染控制措施。我们针对大气环境的预测，采取了两手行动：观测方法和模型方法。图5是2019年9月30日我们利用模型方法，计算不同高度上细颗粒物浓度的结果，它预示着国庆期间PM_2.5浓度达到了100 μg/m³以上，这种污染情况一直持续到10月4日冷空气的到来。

图5 2019年10月1日-7日，国庆期间北京细颗粒物浓度预报。来源：中科院大气物理所。

图6 2019年10月1日，国庆期间北京实时天空照片

  要模拟现实，首先得摸透现实。中国科学院大气物理研究所最引人注目的建筑，是高325米气象观测塔（图7），建成于1979年8月，主要服务于空气污染研究。气象塔每隔固定的长度，就放置一套气象监测仪器，在280米高度南北两个方向设置的两部高清相机24小时运行，每半小时自动拍照，实时监测周边天气状况和地表状况 （图6）。照片网址：http://view.iap.ac.cn:8080/imageview/。我们知道，浮世间的一切来源于尘土，且都将最终归于尘土。空气污染物也是一样，来源于地面，漂浮于天空，最终也会沉降到大地。人类活动如工业烟囱排放或者自然过程如沙尘暴，产生的空气污染物向上散开，或者转到居民区，或者转到农村郊区，亦或者被“大风起”席卷至天空，无影无踪，亦或者被“云飞扬”倾盆雨下，重新与大地融合在一起。所以，我们不但在固定的地方进行垂直方向上观测实验，也在野外各个地方进行探空气球、飞艇、无人机等搭载平台的放飞与回收（图8），无数科考人员在祖国的天涯海角付出巨大的心血，“逝者如斯夫，不舍昼夜”。

图 7 大气环境预测采取的两手行动：观测方法（左）和模拟方法（右）。

图8 中国科学院大气物理研究所在北京周围放飞汽艇，上面搭载有激光雷达、气象和污染物监测仪器。

  再说另外一种手段：模拟现实。如果我们仅仅是通过野外观测来探索大气环境，那即使把整个中国所有的理工科研究人员加在一起，也是不够用的，因为其耗时耗力，白了无数少年头。这时模拟手段就派上了用场。为方便理解，这里先谈一下西方的还原思维。中国人的思想表达很精妙，讲究只可意会不可言传，习惯用整体的思维从上而下的去认识宇宙自然，甚至人体（中医），“天人合一”。而西方人的思维特点是“肢解”和“还原”，先把一个复杂的事物肢解还原成多个简单的事物，再一一处理。西方很多东西，包括人工智能，都是对真实世界的还原——自下而上的、通过无限接近的模拟去认识事物。所以西方认识到的都是近似的假东西。但是在大多数情况下因为太像了，人们都感觉不出来。同理，我们对大气环境的模拟也是借鉴西方，肢解、还原这些影响大气环境的主要过程，例如污染源的排放、污染物的扩散、转化、沉降等。我们通过自主研发，逐步建立了从全球到区域、再从区域到城市的大气环境模拟系统（NAQPMS），成为了中国各环保部门使用的主流业务预报系统，并已被日本、韩国、台湾和大陆等地区的空气质量模式采用。

图 9 利用机器学习估算细颗粒物（PM_2.5）浓度年均值，越红代表污染越严重。来源：Chen G, Li S, Knibbs L D, et al. A machine learning method to estimate PM2.5 concentrations across China with remote sensing, meteorological and land use information[J]. Science of The Total Environment, 2018, 636: 52-60.

  “不谋万世者不能谋一时，不谋全局者不能谋一隅” 。除了对中国区域进行空气预报之外，为了应对中国的外交压力，例如回应日本和韩国关于中国的空气污染物跨国界传输导致其雾霾发生的谬论，对全球的历史空气污染过程进行分析也是必要的。我们利用大气环境模拟系统，阐明了中国、亚洲及全球大气环境之间的关系，解决了东亚人为排放的污染物的跨国输送问题，并模拟了中国的沙尘发生、输送及沉降等过程，结果证明中国的污染源对日本的影响仅在5%-10%，远小于日本所称的40%-60%，并首次量化了沙尘粒子对酸雨的中和作用。这些研究结果为国家的环境外交提供了科学依据。

图10 中国的环境外交压力：中国、亚洲及全球大气环境的关系及跨界输送影响。

  自洋务运动而发扬光大的经世致用思想深刻影响着百年来中国科学家的行为方式。打磨好了金刚钻，总想去揽瓷器活。真正的空气质量改善一定是通过优化能源结构、工业提高能源使用效率和减排来达到的。要控制污染源，首先需要证明它确实对空气污染有贡献，定罪量刑。大气环境模拟中最硬的金刚钻是污染物的溯源与追踪，亦即最艰巨的任务是明白它从哪里来、到哪里去。污染物从一个个的污染源中排出后，如何在空气中流动，会发生什么样的化学反应，生成何种二次污染物，产生的污染物浓度有多高等问题，这些过程都可以通过计算机进行描绘。我们通过NAQPMS模式污染溯源和预测技术的开发，把各种污染源是来自哪个地方、哪个行业的进行标记，形成清单，然后在整个大气中进行全面追踪，所以它每一步变化都是可见的、透明的。任何一个排放源和污染物都能得到其来龙去脉，都能给出污染传输的量，给出工业产生量是多少，民用产生量是多少。这样我们就能知道在重污染过程中，应该从从上游控制哪些城市、哪些企业。很多地方空气质量不达标，为什么？因为一个地方的空气能容纳污染物的量是有限的，且这个容量每天都在变化，就像一个桶，水满则溢，不达标原因是排放的量远超过这个地方的容量。在国家大型活动中，我们为区域的空气污染控制提供预测和计算环境容量的决策支持。这些活动包括北京2008年奥运会、建国60周年大庆、上海2010年世界博览会、广州2010年亚运会、亚丁湾海军护航所需的预报服务等。此外NAQPMS系统已在多个城市服务于“智慧城市”的建设，例如帮助珠三角广州等城市建立机动车排放管理决策支持系统和大气污染预警。

图11 空气污染物的溯源、追踪。

  中国最近几年在治理环境污染方面下的决心和手段，其力度举世共睹、前所未有。然而现在迫切的需要的，是向决策者和公众展示：在中国特殊的自然和人文背景下，本世纪中叶实现中华民族伟大复兴之时，能否在人民收入到达中等发达国家水平的前提下，使空气质量达到发达国家的水平？这不仅仅是对过去几年环保措施的实施效果评估，更是鼓舞全国上下走可持续发展道路的信心。对此，我们构建了地球环境3D模拟展示系统（图12）。 它向世人展示，2013年以来全国雾霾污染显著改善，雾霾发生频次至2018年已缩减至2013年前的约一半水平。通过构建高时空分辨率的污染物排放源分布，依据我国未来中长期经济社会发展政策，预测我国产业、城镇化、交通、人口发展，预测2020-2030年的中国各地区排放源水平，可以确定各物种人为排放源和空气污染物将继续逐年减少，构建有利于人体健康的清洁空气的道路正在有条不紊的持续进行下去。我们目前正在评估公里级别的人群健康风险指数，包括长期暴露、重污染过程短期暴露，进行实时的预报。

图12 空气质量指数AQI 模拟与预报，来源: 中科院大气物理所NAQPMS模型+地球模拟展示系统。

  科学既要凭着对自然界、人类社会和人的心灵的好奇及兴趣，探索未知世界，还应主动对接国家地区发展战略和重大需求，发挥智囊的作用，提出有思路，有见解的解决思路和方案。2018年，国家发布了《乡村振兴战略》。中国需要用占世界8%的耕地面积养活占世界19%的人口。中国现有耕地中优质土地只占总面积的2.9%，将近53%的土地质量属于中等级别。由于过度使用化肥、农药以及大气污染、不科学轮作耕地等原因，耕地质量严重退化。为了保障我国农产品食物安全和农业生态环境安全，我们必须加快发展现代化、信息化、智能化的农业。农业的现代化，必须配套以环保监测治理措施，有效杜绝水、土、气污染，保证农产品安全和周边生态环境健康，形成可推广的绿色生产经验和模式。这也是我们下一步准备着手干的事情。

3. 由外向内的探索

“当历史学家的研究接近尾声之时，他将会面临这样的挑战：你研究的东西究竟有什么用处？你是否只是从自己的工作中找点乐子，侃侃“国王殒命的悲剧”？你可曾从历史中得到有关我们现状的任何启示，有益于我们的判断和政策的任何指导，防止意外或不测事件发生的任何手段？你是否从历史长河中发现了规律，能够用来预示人类未来的行动或国家的命运？” ——威尔·杜兰特《历史的教训》。

  无独有偶，和历史学家一样，长期困扰地球科学家的主要问题也是如何从历史数据中找到规律，提取主线，作为以后决策的参考。2018年，全国洪涝、干旱、山体滑坡、泥石流、风暴、冷冻雪灾等自然灾害受灾人数达到了一亿五千万人次，直接经济损失达3018亿元^[6]。我们能计算，能预测，能评估。我们可以使用最先进的人工智能（AI）的技术来深入挖掘降雨雷达回波信号的移动、增强、减弱，能进行10年至100年的厄尔尼诺事件预测，能把飞机送进超强台风的中央， 但是仍然对自然灾害保持着敬畏。即使拥有了世界上最顶尖的科学知识，每一个地球科学家面对这混沌的、非线性变化的大自然，仍然感到一阵阵无力。

图13 2019年8月台风“多利安”登陆美国，卫星和飞机拍摄到图像。来源：美国大气海洋局 (NOAA)。

  明朝时候，三次治理黄河成功的水利学家潘季驯，创造性的发明了“束水冲沙法”。那个时候他并不知道粘性流体，不知道牛顿定律，不知道湍流理论。他苦心数年钻研出的理论，在现代流体力学中不过是一个很简单的流量公式：F=SV。但是他几十年如一日组织民众修建治黄工程，直到病逝在任上，不负皇恩，不愧黎庶。我在想，很多时候，科学理论的构建是一小撮人的狂欢，而实际应用时的工程实施则是一大帮子人的寂寞。

  人类整体是地球历史上最强大的族群，处在食物链的顶端，然而每个人作为个体，都是最没用的动物。无论体力，还是意志力，人类都已严重退化，失去了独立生存的能力。但人类是如何走到这一步的？为何我们如此强大，又如此软弱？我们那让最聪明的生物科学家都苦研反侧的大脑中，到底有什么特殊性？

  是概念。人类是唯一能够创造出概念的动物。我们大脑创造出种种概念，诸如宗教、国家、民族、公司、唯物主义、唯心主义、相对论、热力学定律。这些概念让一群人聚集一起，也让另一群人彼此为敌。人类的软弱，是因为创造概念。但人类的强大，也一样因为创造概念。人类在这个强大的力量之下集结起来，形成全球的合作与分工，千百万人在同一个概念之下劳作，彻底改变了世界的面貌，把蛮荒的原始世界，变成了一个个叫做城市的产物。这是文明的代名词，也是罪恶的派生物。我们对此不会感到喜悲，因为除了大脑赋予的人类生存的意义之外，自然本身从中看不到任何意义。如果一个地球科学家足够幸运，便能在去世之前尽可能多地收集、整理这些即永恒又注定昙花一现的科学概念，将其传给更多的人，以及后代。

参考文献

[1] Bauer P, Thorpe A, Brunet G. The quiet revolution of numerical weather prediction[J]. Nature, 2015, 525: 47.

[2] Lecun Y, Bengio Y, Hinton G. Deep learning[J]. Nature, 2015, 521: 436.

[3] Mcgovern A, Elmore K L, Gagne D J, et al. Using artificial intelligence to improve real-time decision-making for high-impact weather[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2017, 98(10): 2073-2090.

[4] Ghahramani Z. Probabilistic machine learning and artificial intelligence[J]. Nature, 2015, 521: 452.

[5] Reichstein M, Camps-Valls G, Stevens B, et al. Deep learning and process understanding for data-driven Earth system science[J]. Nature, 2019, 566(7743): 195-204.

[6] China Statistical Yearbook 2018[EB/OL]. http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2018/indexeh.htm.