地球模拟实验，助力实现“双碳”目标

重大科技基础设施，是为探索未知世界、发现自然规律、引领技术变革提供基础支撑的大型复杂科学技术研究装置或系统，是国家战略科技力量的重要组成部分，对解决重大科技问题、开展核心技术攻关、推动产业创新发展具有关键支撑作用。截止至2022年10月，我国已布局了77个重大科技基础设施。2022年10月17日，第33个项目——地球系统数值模拟装置“寰”通过国家验收并正式开放运行。

地球系统数值模拟装置又称地球模拟实验室，简而言之，就是对地球系统进行数值模拟，即以地球系统观测数据为基础，利用描述地球系统的物理、化学和生命过程及其演化的规律在超级计算机上进行大规模科学计算，科学家们由此得以重现地球的过去、模拟地球的现在、预测地球的未来。

地球系统数值模拟装置“寰”位于北京雁栖湖畔的怀柔科学城东区，由中国科学院大气物理研究所和清华大学共同建设，是我国首个具有自主知识产权的地球系统模式。它是以地球系统各圈层数值模拟软件为核心，软、硬件协同设计，规模及综合技术水平位于世界前列的专用地球系统数值模拟装置。其核心软件是中国科学院大气物理研究所经过长期科研攻关自主研发的地球系统模式，能够模拟大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈的演变规律。“寰”能够大幅提高我国对地球系统模拟预测的准确性，将成为我国大气、海洋、环境、计算科学等领域的重要基础研究平台，为实现“双碳”目标等提供有力科技支撑。

软硬件协同设计赋予了“寰”强大的解读地球的能力。地球系统数值模拟装置包括应用软件——地球系统模式数值模拟系统、区域高精度环境模拟系统，支撑软件——超级模拟支撑与管理系统、支撑数据库和资料同化及可视化系统，支撑硬件——面向地球科学的高性能计算系统等。以高性能计算系统“硅立方”为例，它专为“寰”研制，能满足全球尺度的模拟实验。硅立方是一个约16米高的立方体，其采用独特的计算分区设计，具备高效、节能、环保的优点。而且，其算力惊人，1分钟的算力相当于全球72亿人同时用计算器不间断计算4年。

通过“寰”的解读和模拟，人们可以“真切”地看到“未来地球”，即不同社会经济发展路径下，“寰”推演出的21世纪末的全球气候环境情况，包括气温变化、海平面变化、北极海冰变化……这有利于用我国自己的计算数据作为气候与环境领域谈判的依据，能够有效提升在气候与环境领域的国际话语权和影响力。

特别值得注意的是，“寰”能够全面地考虑地球系统各个组成部分的发展变化及其相互作用，突破了海、陆碳循环与大气二氧化碳全耦合难题，能准确模拟大气二氧化碳浓度，并在此基础上建立起“生态—气温—二氧化碳浓度—碳排放量”的清晰关系，对温室气体核算、未来升温预估提供有力的模拟支撑，助力“双碳”目标实现。

中国科协科普部

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