大国重器：地球系统数值模拟装置

“地球系统数值模拟装置”是国家发改委于“十二五”期间部署建设的国家重大科技基础设施项目，也是我国研制成功的首个具有自主知识产权的地球系统模拟大科学装置，取名为“寰”。该装置主要是通过超级计算机进行大规模的数值计算，重现地球的过去、模拟地球的现在、预测地球的未来，从而进行有针对性的“地球试验”。这一大国重器也将在碳中和、气候变化等研究中发挥重要作用。

2021年6月23日，“地球系统数值模拟装置”实现试运行，为建党百年、北京冬奥会和冬残奥会等重大活动提供气象和环境保障，取得了不错的效果。2022年10月17日，“地球系统数值模拟装置”通过国家验收，正式开放运行。

| 什么是地球系统数值模拟装置

顾名思义，即是用于模拟地球生态系统的一种装置。地球系统数值模拟装置虽然被叫做装置，但实际上，它并不是我们熟知的类似于超级计算机的大型装置，而是一种软、硬件结合且以软件为核心的装置，研究者需要利用部署在超级计算机上的这些软件，以及一些相关的数值来开展研究。

简单来说，就是将模拟的“地球”放进实验室里，看看在不同二氧化碳排放量造成的全球变暖下，“地球”上自然系统的响应程度如何，最终确定一个合适的温升目标。注意，这里所说的“地球”并不是一个真实的地球，而是一个基于各种物理数学方程的数字化地球。

| 地球系统数值模拟装置是怎样工作的

认识地球各圈层的基本规律是研究者利用装置进行模拟的基础。地球由五大圈层组成，分别是大气圈、水圈、冰冻圈和岩石圈以及生物圈。装置的模拟过程实际上就是在模拟地球上五个圈层互相作用的过程。比如在大气和冰冻圈之间，大气的温度升高之后，冰雪会融化。冰雪融化后，地表的反照率大大降低，地表和大气就会吸收更多的太阳光，导致温度进一步上升，从而导致积雪也进一步融化。在圈层的活动中，人类的活动非常重要且十分复杂，我们的生产和生活会对地球的各个圈层产生一系列的影响。

由于自然界中万物息息相关这一特性的复杂性，人们无法一次性将所有圈层的数理方程囊括在一个代码集合里。为了简化问题的求解，人们首先构建起描述单个圈层的模式，再通过“耦合器”将各个独自运行的模式有机地联合在一起。耦合器就像一个庞大工厂的交换车间，其中进行着各圈层间的物质、能量交换，从而把大气、海洋、陆面等模式耦合起来，在最大程度上模拟出自然界的演变过程。

得到了这个数字化的“地球”后，输入某一时刻的观测数据，在超级计算机进行大规模的数值计算，我们就能够推演地球不同圈层的变化，由此重现地球的过去、模拟地球的现在、预测地球的未来，从而进行有针对性的“地球试验”。

| “寰”在国际上的地位

作为国家综合国力的体现，各国科学家都在积极研发自己的数值模式。2022年，我国也提交了地球系统模式，参与到第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6），这次模拟实验有来自全球33家机构的约112个气候模式版本注册参加，其数量为历次之最。虽然目前国际上已有如此多的数值模式，但它们绝大多数仍是气候系统模式，放眼全球，只有美、日、欧等发达国家建有软、硬件结合的面向地球系统的专门模拟装置。美国国家大气科学中心（NCAR）更是凭借其长时间世界领先的数值模拟装置，发展了性能优异的地球模拟系统。因此这些国家主导了政府间气候变化专门委员会（IPCC）气候变化预估试验的设计和评估报告的撰写。

这次对比实验中，我国自主研发的地球系统模式CAS-ESM2.0表现优异，对全球植被指数、总初级生产力等指标的模拟位居世界前列。值得一提的是，CAS-ESM正是地球模拟实验室“寰”的核心模式软件。

除了软件的支持外，“寰”采用的国产芯片为超复杂的地球系统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计算机系统“硅立方”具有不低于15PFlops的计算峰值，其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。整个系统共有3000多个水冷计算节点，相互之间采用HDR InfiniBand高速网络连接，带宽高达100Gbps。此外，“硅立方”数据库拥有80PB的存储空间，可以装下约13个国家图书馆的馆藏数据，用来保存各个圈层的观测及模拟资料。

| “寰”的应用领域

1、应对气候变化

无论是温室气体核算、未来升温预估，还是海平面上升、冰冻圈变化等其他圈层对增暖的可能响应，均需要包含完整圈层的地球系统模式的模拟研究作为支撑，尤其是碳氮循环、生物地球化学过程的模拟，而这正是“寰”的优势所在。

因此，“寰”将致力于“碳中和”和气候变化等相关研究工作，为国家战略需求提供科技支撑。

2、预测海洋气候变化

厄尔尼诺与南方涛动（ENSO）现象是气候系统在年际尺度上最显著的变化信号，在北半球冬季达到成熟位相，对次年夏季我国东部的气候有着重要影响（如夏季风强度和台风活动），是跨季节气候预测的主要信号来源。

利用高性能气候模式预测数月至一年后目标区域的冷暖旱涝已是国际上气候预测研究的主流方向。“寰”将瞄准与国计民生息息相关的短期气候预测问题，利用更加精细和完善的地球系统模式，捕捉更全面的预测信号，为全面提高我国短期气候预测水平提供科技支撑。

3、防灾减灾

随着社会经济的发展，环境污染问题日益凸显，细颗粒物（PM2.5）、臭氧、沙尘暴、酸雨等多种问题并存，对人体健康和生态环境都带来了很大危害。

数值模式可以对污染物进行溯源、实现对重污染天气过程的预报预警，并对各种污染控制措施的效果开展评估，进而协助制定大气污染控制方案。然而，大气污染问题在空间上包含从全球到城市尺度的动力过程，时间上包含毫秒尺度的化学过程和年尺度的传输过程，是数值模拟的重大挑战。

“寰”包括我国区域的高精度大气污染模式分系统，具备高分辨率下完整模拟大气污染物形成过程的能力，可为我国大气污染的精准预报和精细化防控技术发展提供先进的试验平台。

此外，“寰”还可以支撑暴雨、台风、沙尘暴、极端热浪和寒潮等灾害性天气的高分辨率模拟试验，为灾害性天气预报方法和工具的研发提供先进的科学平台，为国家防灾减灾等重大需求提供科技支撑。

总之，“寰”的诞生将显著提升我国地球科学的整体创新能力，在我国解决防灾减灾、环境治理、可持续发展和生态安全等重大科学问题中发挥重要作用。将为我们实现“碳中和”、“美丽中国”等重大战略目标提供有力的科技支撑。

（图片来源于网络）

作者 | 顾俊哲

计算机科学与技术硕士，毕业后从事网络信息收集与整理工作，关注大众科普知识，探索前沿科技。