2021年，由中國科學(xué)院大氣物理研究所牽頭的國家重大科技基礎設施地球系統數值模擬裝置“寰”（EarthLab）即將建成。這是我國的又一項大國重器，通過(guò)超級計算機進(jìn)行大規模的數值計算，能夠重現地球的過(guò)去、模擬地球的現在、預測地球的未來(lái)，從而進(jìn)行有針對性的“地球試驗”。這一大國重器也將在碳中和、氣候變化等研究中發(fā)揮重要作用——2020年12月24日，中國科學(xué)院大氣物理研究所成立全國首家從事碳中和基礎研究的科研機構，這一設施必將為我國實(shí)現碳達峰、碳中和提供科學(xué)路徑和科技支撐。

什么是地球系統模擬實(shí)驗室

地球系統模擬裝置，又稱(chēng)地球模擬實(shí)驗室?！栋屠鑵f(xié)定》中提出的無(wú)論是1.5℃還是2℃溫升目標，均是基于地球系統模擬裝置計算出來(lái)的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將模擬的“地球”放進(jìn)實(shí)驗室里，看看在不同二氧化碳排放量造成的全球變暖下，“地球”上自然系統的響應程度如何，最終確定一個(gè)合適的溫升目標。注意，這里所說(shuō)的“地球”并不是一個(gè)真實(shí)的地球，而是一個(gè)基于各種物理數學(xué)方程的數字化地球。

地球上氣態(tài)的空氣、液態(tài)的江河湖海、固態(tài)的山石冰雪、不斷演化的生命體……這些紛繁萬(wàn)物，可以簡(jiǎn)單地歸為五大圈層：大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈、生物圈。千百年來(lái)人們感受著(zhù)各個(gè)圈層中物候變化的同時(shí)，也在對自然界的經(jīng)驗進(jìn)行總結?；诳茖W(xué)的進(jìn)步，我們已經(jīng)能夠總結出一部分自然變化的物理規律，并用數學(xué)公式將其定量地表述出來(lái)。進(jìn)一步將這些數理方程編寫(xiě)成計算機代碼，就得到了對應于各個(gè)圈層的代碼集合，也就是我們常說(shuō)的模式。例如大氣模式本質(zhì)上就是大氣運動(dòng)方程、連續方程、熱力學(xué)能量方程的代碼集合。

由于自然界中萬(wàn)物息息相關(guān)這一特性的復雜性，人們無(wú)法一次性將所有圈層的數理方程囊括在一個(gè)代碼集合里。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題的求解，人們首先構建起描述單個(gè)圈層的模式，再通過(guò)“耦合器”將各個(gè)獨自運行的模式有機地聯(lián)合在一起。耦合器就像一個(gè)龐大工廠(chǎng)的交換車(chē)間，其中進(jìn)行著(zhù)各圈層間的物質(zhì)、能量交換，從而把大氣、海洋、陸面等模式耦合起來(lái)，在最大程度上模擬出自然界的演變過(guò)程。

得到了這個(gè)數字化的“地球”后，輸入某一時(shí)刻的觀(guān)測數據，在超級計算機進(jìn)行大規模的數值計算，我們就能夠推演地球不同圈層的變化，由此重現地球的過(guò)去、模擬地球的現在、預測地球的未來(lái)，從而進(jìn)行有針對性的“地球試驗”。

“寰”的優(yōu)勢

我們已經(jīng)知道，現實(shí)中的地球是一個(gè)各圈層緊密聯(lián)系的復雜系統，各個(gè)圈層中包含了許多物理、化學(xué)和生物過(guò)程，因此一個(gè)地球系統模式包含的圈層數目以及描述各個(gè)圈層中自然過(guò)程的完整度直接影響著(zhù)其模擬結果的真實(shí)性。國際上數值模式的發(fā)展正處于從氣候系統模式向地球系統模式的過(guò)渡階段，前者僅考慮大氣、海洋、陸面等氣候系統各圈層的模擬，后者則進(jìn)一步考慮了碳氮循環(huán)、生物地球化學(xué)過(guò)程等，對各分系統之間的耦合要求也相對更高。

作為綜合國力的體現，各國科學(xué)家都在積極研發(fā)自己的數值模式。例如，正在進(jìn)行中的第六次國際耦合模式比較計劃（CMIP6）就有來(lái)自全球33家機構的約112個(gè)氣候模式版本注冊參加，其數量為歷次之最。雖然目前國際上已有如此多的數值模式，但它們絕大多數仍是氣候系統模式，僅有美國、歐洲、日本、中國等少數國家和地區提交了地球系統模式，其中就包括了由中科院大氣物理研究所牽頭研發(fā)的地球系統模式CAS-ESM2.0。值得一提的是，CAS-ESM正是地球模擬實(shí)驗室“寰”的核心模式軟件。CAS-ESM2.0在CMIP6對比試驗中表現優(yōu)異，對全球植被指數、總初級生產(chǎn)力等指標的模擬位居世界前

“寰”坐落于北京懷柔科學(xué)城，是一個(gè)以地球系統各圈層數值模擬軟件為核心，軟硬件相適應，規模及綜合技術(shù)水平位于世界前列的專(zhuān)用地球系統數值模擬裝置?！板尽钡慕ㄔO內容不僅包括主要的地球系統模式數值模擬系統，還有區域高精度（空間分辨率1-3公里）環(huán)境模擬系統，超級模擬支撐與管理系統、支撐數據庫和資料同化及可視化系統，面向地球科學(xué)的高性能計算系統，以及配套的土建設施?！板尽苯ǔ珊罂蔀槲覈牡厍蛳到y科學(xué)研究提供新的范式。

作為全球地球系統模擬裝置的后起之秀，“寰”采用了具有我國自主知識產(chǎn)權的數值模擬軟件系統，有完整、自洽和嚴謹的全套動(dòng)力、物理、化學(xué)和生態(tài)過(guò)程，分辨率達到世界先進(jìn)水平。并且在進(jìn)行多圈層耦合時(shí)充分考慮了各個(gè)圈層之間的相互作用，在不遠的未來(lái)，“寰”還將進(jìn)一步耦合空間天氣、大陸冰川和固體地球模塊（如地球板塊移動(dòng)及其引發(fā)的地形變化、地震、火山爆發(fā)等），地球系統模擬將擴展到臨近空間和固體地球領(lǐng)域。

除了軟件的支持外，如果沒(méi)有相適應的計算機硬件相匹配，那所有的試驗都將是紙上談兵。全球尺度的模擬實(shí)驗，是一項具有寬廣時(shí)間尺度的超級計算工程，“寰”采用的國產(chǎn)芯片為超復雜的地球系統模式提供了超給力的算力支持。專(zhuān)為“寰”研制的“面向地球科學(xué)的高性能計算機系統”具有不低于15PFlops的計算峰值，其1分鐘的算力相當于全球72億人同時(shí)用計算器不間斷計算4年。整個(gè)系統共有3000多個(gè)水冷計算節點(diǎn)，相互之間采用HDR InfiniBand高速網(wǎng)絡(luò )連接，帶寬高達100Gbps。此外，“硅立方”數據庫擁有80PB的存儲空間，可以裝下約13個(gè)國家圖書(shū)館的館藏數據，用來(lái)保存各個(gè)圈層的觀(guān)測及模擬資料。

大國重器，劍指何方

在“碳中和”路線(xiàn)下，我們將大力發(fā)展新能源及各種節能減排技術(shù)，減少碳排放，同時(shí)通過(guò)植樹(shù)造林、碳捕集與封存等“固碳”途徑，促進(jìn)對大氣中溫室氣體的吸收，最終使得CO2的排放量等于吸收量，即實(shí)現碳的“凈零排放”。

對溫室氣體核算、未來(lái)升溫預估均需要包含完整圈層的地球系統模式的模擬研究作為支撐，而這正是“寰”的優(yōu)勢所在?！板尽蹦軌蚋娴乜紤]地球系統的各個(gè)組成部分，特別是與地球生態(tài)系統和生物地球化學(xué)過(guò)程的相關(guān)模擬及其與氣候系統的相互作用，在此基礎上建立起“生態(tài)—氣溫—二氧化碳濃度—碳排放量”的清晰關(guān)系，從而減少1.5℃溫升目標與碳排放量關(guān)系間的不確定性。

除此之外，在全球變暖的氣候背景下，過(guò)去三十年間有關(guān)極端天氣事件及其對人類(lèi)生活影響的報道不斷增加，這些事件包括強臺風(fēng)、高溫、暴雨、干旱、和寒潮。這樣的極端天氣事件的空間尺度是幾公里，時(shí)間尺度在幾小時(shí)內。要想準確捕捉這些天氣過(guò)程，就需要提高模式的空間分辨率，但也意味著(zhù)必須承載隨之增加的龐大計算量。配備高性能計算機硬件的“寰”建成后，給準確極端天氣和氣候事件提供了可能。利用更加精細和完善的地球系統模式，“寰”能夠捕捉更全面的預測信號，以提高我國防災預警水平、增強防災減災能力。

隨著(zhù)我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，多種污染問(wèn)題隨之產(chǎn)生。大氣污染問(wèn)題涉及地球系統復雜排放過(guò)程，包含全球和區域傳輸過(guò)程以及城市尺度動(dòng)力過(guò)程，這給大氣污染模擬研究提出了重大挑戰。合理并完整模擬再現這些過(guò)程，是研究大氣污染和進(jìn)行大氣污染治理的關(guān)鍵前提?！板尽本哂袇^域高精度大氣污染模式分系統，能夠模擬大氣中化學(xué)成分的排放、擴散、化學(xué)轉化等過(guò)程。不僅如此，“寰”具備重金屬模擬能力、耦合源識別與追蹤技術(shù)，能夠做好污染物的“溯源”分析，從而提高大氣污染預測水平，讓“美麗中國”生態(tài)文明之路行穩致遠。

總之，“寰”的誕生將顯著(zhù)提升我國地球科學(xué)的整體創(chuàng )新能力，在我國解決防災減災、環(huán)境治理、可持續發(fā)展和生態(tài)安全等重大科學(xué)問(wèn)題中發(fā)揮重要作用。

放眼全球，美、日、歐等發(fā)達國家已建有軟硬件結合的面向地球系統的專(zhuān)門(mén)模擬裝置。如美國國家大氣科學(xué)中心（NCAR）憑借其長(cháng)時(shí)間世界領(lǐng)先的數值模擬裝置，發(fā)展了性能優(yōu)異的地球系統模式，因此這些國家主導了政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )（IPCC）氣候變化預估試驗的設計和評估報告的撰寫(xiě)。

變化正在發(fā)生，未來(lái)已經(jīng)到來(lái)。國之重器“寰”的問(wèn)世，將使我國在地球模擬科學(xué)特別是在全球氣候變化學(xué)術(shù)領(lǐng)域不再處于被動(dòng)地位，在應對全球氣候變化問(wèn)題時(shí)，我們將能夠掌握更多的話(huà)語(yǔ)權！

來(lái)源：《光明日報》