2023年9月22日，地球系统数值模拟装置核心软件——中国科学院地球系统模式（CAS-ESM）的研发团队在《ADVANCES IN ATMOSPHERIC SCIENCES》（AAS）上发表了关于CAS-ESM大气CO₂全耦合模拟的最新研究进展。该研究指出：CAS-ESM2.0已成功解决了陆地碳循环、海洋碳循环与大气CO₂双向耦合的难题，并能够合理的计算大气CO₂的时空变化。

 CAS-ESM团队在地球系统数值模拟装置可视化球屏前讨论全耦合大气CO₂季节变化的模拟结果（摄影：李国强）

CO₂是地球大气中关键的温室气体，其浓度自工业革命以来急剧增加，如2022年全球平均大气CO₂浓度已达到417.07±0.15 ppm（parts per million），相比1750年（278.00±5.00 ppm）增加了50.0%。大气CO₂浓度的增加会显著影响全球气候和生态环境，包括通过有效辐射强迫加剧全球气候变暖、通过施肥效应促进植物光合作用等。大气CO₂浓度变化及其影响是全球气候和生态环境研究的核心问题之一。

大气CO₂的变化和影响涉及到地球系统的多圈层多尺度过程，需要在耦合的系统中对之加以研究。地球系统模式能够刻画气候系统、碳循环过程以及它们的相互作用，是开展大气CO₂研究的重要工具。国际耦合模式比较计划为此设计了大气CO₂排放驱动试验（emissions-driven runs）。该试验要求模式不仅能够模拟陆地碳循环、海洋碳循环与大气CO₂的相互作用，还要能够计算大气CO₂的时空变化。但是，目前国内外实现这类大气CO₂全耦合试验的地球系统模式还比较少，且模拟的大气CO₂浓度和下垫面碳通量仍然存在较大的不确定性。

CAS-ESM研发团队一直致力于研发具有中国自主知识产权的地球系统模式。为实现大气CO₂的全耦合模拟，CAS-ESM研发团队把同时考虑野火和植被演变的自主研发的全球植被动力学模式、海洋生物地球化学模型等耦合进入CAS-ESM。经过坚持不懈的努力，CAS-ESM2.0已成功实现陆地碳循环、海洋碳循环与大气CO₂的双向耦合，并且能够合理的模拟出大气CO₂的历史增加趋势和季节变化。CAS-ESM2.0大气CO₂全耦合模拟功能的实现具有重要的研究和应用价值。一方面，CAS-ESM2.0能够用于研究碳循环与气候的相互作用，例如，诊断目前地球系统模式关于大气CO₂模拟误差的原因和具体物理机制。另一方面，可以为“双碳”战略提供科学的支撑，包括碳中和最优路径的选取等。

图1 CAS-ESM2.0能够合理模拟出1850到2014年大气CO₂的增加趋势，以及陆地和海洋净碳通量的响应（动图：朱家文）

图2 CAS-ESM2.0能合理模拟出大气CO₂的季节变化，这主要与陆地生态系统季节性生长有关（球屏动画by朱家文&中国科学院计算机网络信息中心GPVis可视化团队，摄影：李国强）

论文的作者团队包括中国科学院大气物理研究所朱家文（第一作者）、何卷雄（通讯作者）、李阳春、张贺、曾晓东、费可测、靳江波，北京师范大学纪多颖，纽约州立大学石溪分校张明华；论文还得到了CAS-ESM2.0所有研发成员的持续支持。

该研究得到了国家重大科技基础设施项目“地球系统数值模拟装置”、国家重点研发计划项目（2022YFE0106500）、中国科学院青年创新促进会（2022076）等项目的支持。

论文链接：CAS-ESM2.0 Successfully Reproduces Historical Atmospheric CO₂ in a Coupled Carbon-Climate Simulation