大国重器“寰”：模仿地球 推演将来

2021年，由中国科学院大气物理研究所牵头的国度庞大科技底子办法地球体系数值模仿装置“寰”（EarthLab）马上建成。这是我国的又一项大国重器，通过超等盘算机举行大范围的数值盘算，可以或许重现地球的已往、模仿地球的如今、猜测地球的将来，从而举行有针对性的“地球试验”。这一大国重器也将在碳中和、天气改变等研究中发挥紧张作用——2020年12月24日，中国科学院大气物理研究所建立天下首家从事碳中和底子研究的科研机构，这一办法必将为我国实现碳达峰、碳中和提供科学路径和科技支持。

什么是地球体系模仿试验室

地球体系模仿装置，又称地球模仿试验室。《巴黎协定》中提出的无论是1.5℃照旧2℃温升目的，均是基于地球体系模仿装置盘算出来的。简洁来说，便是将模仿的“地球”放进试验室里，看看在差别二氧化碳排放量造成的环球变暖下，“地球”上天然体系的相应水平怎样，终极确定一个符合的温升目的。细致，这里所说的“地球”并不是一个真实的地球，而是一个基于种种物理数学方程的数字化地球。

地球上气态的氛围、液态的江河湖海、固态的山石冰雪、不停演化的生命体……这些纷纭万物，可以简洁地归为五大圈层：大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈。千百年来人们感觉着各个圈层中物候改变的同时，也在对天然界的履历举行总结。基于科学的前进，我们已经可以或许总结出一部门天然改变的物理纪律，并用数学公式将其定量地表述出来。进一步将这些数理方程编写成盘算机代码，就得到了对应于各个圈层的代码聚集，也便是我们常说的模式。比方大气模式素质上便是大气活动方程、一连方程、热力学能量方程的代码聚集。

因为天然界中万物痛痒相关这一特性的庞大性，人们无法一次性将全部圈层的数理方程席卷在一个代码聚集里。为了简化题目的求解，人们起首构建起形貌单个圈层的模式，再通过“耦合器”将各个独自运行的模式有机地团结在一路。耦合器就像一个巨大工场的互换车间，此中举行着各圈层间的物质、能量互换，从而把大气、海洋、陆面等模式耦合起来，在最大水平上模仿出天然界的演化历程。

得到了这个数字化的“地球”后，输入某临时刻的观察数据，在超等盘算机举行大范围的数值盘算，我们就可以或许推演地球差别圈层的改变，由此重现地球的已往、模仿地球的如今、猜测地球的将来，从而举行有针对性的“地球试验”。

“寰”的上风

我们已经知道，实际中的地球是一个各圈层精密联络的庞大体系，各个圈层中包罗了很多物理、化学和生物历程，是以一个地球体系模式包罗的圈层数量以及形貌各个圈层中天然历程的完备度直接影响着其模仿效果的真实性。国际上数值模式的进展正处于从天气体系模式向地球体系模式的过渡阶段，前者仅思量大气、海洋、陆面等天气体系各圈层的模仿，后者则进一步思量了碳氮轮回、生物地球化学历程等，对各分体系之间的耦合要求也相对更高。

作为综合国力的表现，列国科学家都在积极研发本身的数值模式。比方，正在举行中的第六次国际耦合模式比力打算（CMIP6）就有来自环球33家机构的约112个天气模式版本注册到场，其数目为历次之最。固然现在国际上已有云云多的数值模式，但它们绝大多数还是天气体系模式，仅有美国、欧洲、日本、中国等少数国度和地域提交了地球体系模式，此中就包罗了由中科院大气物理研究所牵头研发的地球体系模式CAS-ESM2.0。值得一提的是，CAS-ESM正是地球模仿试验室“寰”的焦点模式软件。CAS-ESM2.0在CMIP6比拟试验中体现优秀，对环球植被指数、总低级生产力等指标的模仿位居天下前线。

“寰”坐落于北京怀柔科学城，是一个以地球体系各圈层数值模仿软件为焦点，软硬件相顺应，范围及综合技能程度位于天下前线的专用地球体系数值模仿装置。“寰”的设置装备摆设内容不但包罗重要的地球体系模式数值模仿体系，另有地区高精度（空间辨别率1-3公里）情况模仿体系，超等模仿支持与治理体系、支持数据库和资料夹杂及可视化体系，面向地球科学的高性能盘算体系，以及配套的土设置装备摆设施。“寰”建成后可为我国的地球体系科学研究提供新的范式。

作为环球地球体系模仿装置的后起之秀，“寰”采纳了具有我国自主知识产权的数值模仿软件体系，有完备、自洽和严谨的全套动力、物理、化学和生态历程，辨别率到达天下先辈程度。而且在举行多圈层耦适时充实思量了各个圈层之间的相互作用，在不远的将来，“寰”还将进一步耦合空间气候、大陆冰川和固体地球模块（如地球板块移动及其激发的地形改变、地动、火山发作等），地球体系模仿将扩展来临近空间和固体地球范畴。

除了软件的支持外，假如没有相顺应的盘算机硬件相立室，那全部的试验都将是纸上谈兵。环球标准的模仿试验，是一项具有宽阔时间标准的超等盘算工程，“寰”采纳的国产芯片为超庞大的地球体系模式提供了超给力的算力支持。专为“寰”研制的“面向地球科学的高性能盘算机体系”具有不低于15PFlops的盘算峰值，其1分钟的算力相称于环球72亿人同时用盘算器不中断盘算4年。整个体系共有3000多个水冷盘算节点，相互之间采纳HDR InfiniBand高速网络毗连，带宽高达100Gbps。别的，“硅立方”数据库拥有80PB的存储空间，可以装下约13个国度图书馆的馆藏数据，用来储存各个圈层的观察及模仿资料。

大国重器，剑指何方

在“碳中和”门路下，我们将鼎力大举进展新能源及种种节能减排技能，淘汰碳排放，同时通过植树造林、碳捕集与封存等“固碳”途径，促进对大气中温室气体的汲取，终极使得CO2的排放量即是汲取量，即实现碳的“净零排放”。

对温室气体核算、将来升温预估均必要包罗完备圈层的地球体系模式的模仿研究作为支持，而这正是“寰”的上风地点。“寰”可以或许更全面地思量地球体系的各个构成部门，格外是与地球生态体系和生物地球化学历程的相干模仿及其与天气体系的相互作用，在此底子上创建起“生态—气温—二氧化碳浓度—碳排放量”的清楚干系，从而淘汰1.5℃温升目的与碳排放量干系间的不确定性。

除此之外，在环球变暖的天气配景下，已往三十年间有关极度气候变乱及其对人类生存影响的报道不停增添，这些变乱包罗强台风、高温、暴雨、干旱、和寒潮。如许的极度气候变乱的空间标准是几公里，时间标准在几小时内。要想正确捕获这些气候历程，就必要进步模式的空间辨别率，但也意味着一定承载随之增添的巨大盘算量。配备高性能盘算机硬件的“寰”建成后，给正确极度气候和睦候变乱提供了大概。使用越发精致和美满的地球体系模式，“寰”可以或许捕获更全面的猜测信号，以进步我国防灾预警程度、加强防灾减灾本领。

随着我国都会化历程的推进，多种污染题目随之孕育发生。大气污染题目涉及地球体系庞大排放历程，包罗环球和地区传输历程以及都会标准动力历程，这给大气污染模仿研究提出了庞大挑衅。公道并完备模仿再现这些历程，是研究大气污染和举行大气污染管理的要害条件。“寰”具有地区高精度大气污染模式分体系，可以或许模仿大气中化学身分的排放、扩散、化学转化等历程。不但云云，“寰”具备重金属模仿本领、耦合源辨认与追踪技能，可以或许做好污染物的“溯源”阐发，从而进步大气污染猜测程度，让“漂亮中国”生态文明之路行稳致远。

总之，“寰”的诞生将明显提拔我国地球科学的团体创新本领，在我国办理防灾减灾、情况管理、可连续进展和生态宁静等庞大科学题目中发挥紧张作用。

放眼环球，美、日、欧等发达国度已建有软硬件联合的面向地球体系的专门模仿装置。如美国国度大气科学中间（NCAR）依附其永劫间天下领先的数值模仿装置，进展了性能优秀的地球体系模式，是以这些国度主导了当局间天气改变专门委员会（IPCC）天气改变预估试验的设计和评估陈诉的撰写。

改变正在产生，将来已经到来。国之重器“寰”的问世，将使我国在地球模仿科学格外是在环球天气改变学术范畴不再处于被动职位地方，在应对环球天气改变题目时，我们将可以或许把握更多的话语权！