張璐

2021年6月23日，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”——寰（EarthLab）在北京懷柔科學(xué)城東區(qū)落成啟用，這是我國首個研制成功的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬大科學(xué)裝置。

“寰”是我國首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)，規(guī)模及綜合技術(shù)水平位于世界前列的專用地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置。2018 年經(jīng)國家發(fā)改委批復(fù)，項目全面開工建設(shè)，其核心軟件是中國科學(xué)院大氣物理研究所自主研發(fā)的地球系統(tǒng)模式，集成耦合了包含大氣、海洋、陸面、植被生態(tài)、大氣化學(xué)、海洋生化、陸地生化在內(nèi)的7 個分系統(tǒng)模式，能夠模擬大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈、生物圈的演變規(guī)律，對地球的過去進行反演、對現(xiàn)在進行觀察、對未來進行預(yù)測。這套軟件一天可以計算出地球的大氣圈、水圈、巖土圈、生物圈等多個圈層10 年左右的變化。

在位于北京密云區(qū)的懷柔科學(xué)城東區(qū)，“寰”地球模擬實驗室的科普展廳已經(jīng)開放。展廳中懸掛著直徑3米、清晰度達到5K 的LED 球形屏，裝置模擬實驗的部分結(jié)果會通過球體進行可視化直觀展示。裝置還可以模擬出不同時期天氣氣候、海洋環(huán)境、大氣環(huán)境、極地海冰、植被生態(tài)的情況，時間跨度達到數(shù)百年。

“寰”的計算機硬件平臺“硅立方”也已正式亮相?！肮枇⒎健笔且粋€大型機房，2—4層的超級計算機，一層為存貯裝置。以往的超級計算機都是一層平鋪的，這個是垂直放置的，所以叫硅立方。如此一來不僅占地面積小，最遠的兩個機柜之間的距離也小，數(shù)據(jù)傳輸就會更快。寰的建成將服務(wù)于應(yīng)對氣候變化、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、雙碳愿景目標(biāo)、防災(zāi)減災(zāi)（如天氣預(yù)報）等國家重大需求，為國際氣候與環(huán)境談判提供有力的科學(xué)支撐。

地球科學(xué)為何要用上數(shù)值模擬？

20世紀(jì)60年代，國際科學(xué)界提出地球科學(xué)應(yīng)該怎樣發(fā)展的問題。當(dāng)時世界上有兩種科學(xué)研究方法，一種是理論探討，即理論分析、邏輯推算，理論分析需要實驗去驗證，驗證正確了才是可靠的理論;另一種是實驗分析。

但對地球科學(xué)，做實驗是不現(xiàn)實的。做實驗有很多詳細條件，例如需要保證實驗室環(huán)境和真實環(huán)境一致。要做關(guān)于地球的實驗，需要滿足的條件太多，沒辦法做到全部符合。此外，做實驗有時候要破壞一個“環(huán)境”，像生物科學(xué)可通過解剖來實現(xiàn)，但對全地球卻沒法開展類似實驗，因為地球環(huán)境不容破壞。

當(dāng)時正值電子計算機出現(xiàn)，于是國際上提出了第3種科學(xué)研究的辦法，叫數(shù)值模擬，或稱數(shù)值試驗。

簡單來說，這一方法就是提出一個理論后，要驗證這個理論對不對，就需要建立數(shù)學(xué)模型并利用電子計算機求解，把經(jīng)過理論模型計算后的數(shù)值和實際對比，來證明理論預(yù)測是不是和實際的一致。如果這個數(shù)學(xué)模型與實際相符，就可用來做模擬實驗。

地球系統(tǒng)模式軟件是復(fù)雜的巨系統(tǒng)模型，需要多學(xué)科緊密聯(lián)系，這是大氣科學(xué)、計算科學(xué)和計算機技術(shù)融合的一個典型。

地球系統(tǒng)模擬裝置是如何工作的？

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……這些紛繁萬物，可以簡單地歸為五大圈層：大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈、生物圈。千百年來，人們在感受著各個圈層中物候變化的同時，也在對自然界的經(jīng)驗進行總結(jié)。

基于科學(xué)的進步，科研人員已經(jīng)能夠總結(jié)出一部分自然變化的物理規(guī)律，并用數(shù)學(xué)公式將其定量地表述出來。進一步將這些數(shù)理方程編寫成計算機代碼，就得到了對應(yīng)于各個圈層的代碼集合，也就是常說的“模式”。例如大氣模式本質(zhì)上就是大氣運動方程、連續(xù)方程、熱力學(xué)能量方程的代碼集合。

科技人員首先構(gòu)建起描述單個圈層的模式，再通過“耦合器”將各個獨自運行的模式有機地聯(lián)合在一起。耦合器就像一個龐大工廠的交換車間，其中進行著各圈層間的物質(zhì)、能量交換，從而把大氣、海洋、陸面等模式耦合起來，在最大程度上模擬出自然界的演變過程。

得到了數(shù)字化的“地球”后，輸入某一時刻的觀測數(shù)據(jù)，在超級計算機進行大規(guī)模的數(shù)值計算，科研人員就能夠推演地球不同圈層的變化，由此重現(xiàn)地球的過去、模擬地球的現(xiàn)在、預(yù)測地球的未來，從而進行有針對性的“地球試驗”。

“寰”如何預(yù)警極端天氣、助力防災(zāi)減災(zāi)？

在全球變暖的氣候背景下，過去30年間有關(guān)極端天氣事件及其對人類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千米，時間尺度在幾小時內(nèi)。要想準(zhǔn)確捕捉這些天氣過程，就需要提高模式的空間分辨率，但也意味著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，利用更加精細和完善的地球系統(tǒng)模式，“寰”能夠捕捉更全面的預(yù)測信號，以提高我國防災(zāi)預(yù)警水平、增強防災(zāi)減災(zāi)能力。

全球尺度的模擬實驗，是一項具有寬廣時間尺度的超級計算工程?！板尽辈捎玫膰a(chǎn)芯片為超復(fù)雜的地球系統(tǒng)模式提供了超給力的算力支持。其1分鐘的算力相當(dāng)于全球72億人同時用計算器不間斷計算4年。

“硅立方”數(shù)據(jù)庫擁有80PB的存儲空間，可以裝下約13個國家圖書館的館藏數(shù)據(jù)，用來保存各個圈層的觀測及模擬資料。

“寰”如何為碳中和提供支撐？

自19世紀(jì)末以來， 地球的平均地表溫度上升了約1.18℃，大多數(shù)變暖過程發(fā)生在過去40年里，其中2016年和2020年是有記錄以來最熱的兩年。全球溫度的升高意味著人類將面臨更多極端災(zāi)害天氣：極端熱浪、極端干旱、極端強對流天氣以及更為猛烈的臺風(fēng)襲擊等。

2015年，《巴黎協(xié)定》提出讓所有國家共同致力于實現(xiàn)相同的長期目標(biāo)：加強對氣候變化所產(chǎn)生的威脅做出全球性回應(yīng)，到21世紀(jì)末，將全球平均溫升保持在相對于工業(yè)化前水平2℃以內(nèi)，并為全球平均溫升控制在1.5℃以內(nèi)付出努力。

無論是1.5℃還是2℃溫升目標(biāo)，均是基于全球先進的地球模擬實驗室計算出來的——將模擬的“地球”放進實驗室里，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(tǒng)的響應(yīng)程度如何，最終確定一個合適的溫升目標(biāo)。這涉及對全球碳源匯收支的科學(xué)評估，對碳氮循環(huán)過程、生物地球化學(xué)過程的全球尺度模擬，是一項具有寬廣時間尺度的超級計算工程。

我國承諾，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。“寰”具有過程完善的地球系統(tǒng)模式以及面向地球科學(xué)的高性能計算機系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的數(shù)值模擬計算，以應(yīng)對寬廣時空尺度上的氣候系統(tǒng)的非線性計算。

“寰”能夠更全面地考慮地球系統(tǒng)的各個組成部分，特別是與地球生態(tài)系統(tǒng)和生物地球化學(xué)過程的相關(guān)模擬及其與氣候系統(tǒng)的相互作用，在此基礎(chǔ)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，對溫室氣體核算、未來升溫預(yù)估提供有力的模擬支撐。

比如陸地系統(tǒng)作為全球最重要的碳匯之一，其作用在制定“碳中和”決策中不可忽視。“寰”使用的新版全球植被動力學(xué)模式能對全球植被分布和碳通量進行準(zhǔn)確的模擬，從而更準(zhǔn)確地把握陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應(yīng)和反饋。

因此，“寰”的建成和使用將為我國制定“碳中和”決策和實現(xiàn)“1.5℃溫升目標(biāo)”提供強有力的科技支撐。

“寰”如何應(yīng)對污染？

“寰”這個“地球模擬實驗室”內(nèi)有區(qū)域高精度大氣污染模式分系統(tǒng)，該分系統(tǒng)擁有國內(nèi)首個全球多尺度嵌套的、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的大氣復(fù)合污染傳輸模式。

它能夠模擬大氣中化學(xué)成分的排放、擴散、對流、化學(xué)轉(zhuǎn)化、干濕沉降等過程，模擬臭氧、氮氧化物等5種氣體和沙塵、海鹽、硫酸鹽、硝酸鹽、黑碳、有機碳等氣溶膠成分的時空變化。“寰”能夠為沙塵暴、臭氧、酸雨、灰霾、重金屬沉降等大氣環(huán)境污染研究保駕護航，進行空氣污染預(yù)報預(yù)警、評估污染調(diào)控，并進一步探究氣候- 污染排放- 區(qū)域空氣質(zhì)量相互作用。

它還采用全球多尺度嵌套，空間分辨率跨度從幾百千米到幾千米，同時具備重金屬模擬能力、耦合源識別與追蹤技術(shù)等特點，能夠做好污染物“溯源”分析?！板尽蹦M的中國區(qū)域的空間分辨率提升到了3千米，高分辨率模擬融合觀測數(shù)據(jù)，能夠大大地提高我國大氣污染預(yù)測預(yù)警的準(zhǔn)確性。

目前其他國家是否有地球模擬裝置？

“寰”處于什么水平？

一些發(fā)達國家已建成專門的地球模擬裝置，從而在全球氣候和環(huán)境變化問題的外交談判中占據(jù)主導(dǎo)地位。美國地球模擬器Cheyenne（夏延）主導(dǎo)IPCC氣候變化預(yù)估試驗報告的撰寫等，長期世界領(lǐng)先;日本地球模擬器京K 推動日本地球模擬水平從世界中等水平進入世界前列;歐盟正在投資10億歐元建設(shè)“活地球模擬器”。

“我們要用自己的計算數(shù)據(jù)作為氣候與環(huán)境領(lǐng)域談判的依據(jù)，提升我國的國際話語權(quán)。”國家最高科學(xué)技術(shù)獎得主、中國科學(xué)院院士曾慶存說。如今，我國面向地球系統(tǒng)專用數(shù)值模擬裝置的建成將有利于扭轉(zhuǎn)這一局面。

我國地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置的大氣模式水平分辨率（實為網(wǎng)格距）可達25千米，海洋模式可達10千米，能夠達到世界先進水平。

“寰”建設(shè)過程中有何挑戰(zhàn)和突破？

據(jù)中科院大氣物理所研究員朱江介紹，“寰”的建設(shè)突破了一系列難題，提前一年半落成啟用，實現(xiàn)“早建成、早服務(wù)”。

當(dāng)時初步設(shè)計方案中采用英特爾處理器，在得知我國國產(chǎn)芯片取得重大進展后，為了應(yīng)對潛在的卡脖子風(fēng)險，建設(shè)單位的科技人員在3個月內(nèi)對國產(chǎn)芯片進行了密集測試，在兼容性、計算效率等一系列方面取得突破，果斷決策，采用了國產(chǎn)芯片的技術(shù)方案。

“國產(chǎn)芯片自主可控，同時也需要不斷優(yōu)化，當(dāng)時我們沒日沒夜進行了大量測試?！彼f，采用國產(chǎn)芯片避免了因為卡脖子問題導(dǎo)致的裝置建設(shè)延期等嚴(yán)重后果。

大氣所研究員周廣慶稱，“寰”的軟件本質(zhì)是用計算機求解最復(fù)雜的方程，科研人員在軟件并行計算上也做了大量工作，為此科學(xué)家付出了極大的辛勞。

“寰”未來有何計劃？

據(jù)中科院大氣物理所介紹，“寰”預(yù)計2022年通過驗收后正式建成，實現(xiàn)開放共享與服務(wù)。作為懷柔科學(xué)城北京國家綜合科學(xué)中心首個落成的大科學(xué)裝置，將在原始創(chuàng)新、人才匯聚等方面充分發(fā)揮作用，推動北京市氣象信息產(chǎn)業(yè)園的建設(shè)。

大氣物理所研究員周廣慶介紹，目前這一裝置更集中在地球表面圈層的研究，因為人類生活在地球表面。未來將耦合更多分系統(tǒng)，研究“入地上天”的深層地球，會把地幔熱力過程、大陸板塊漂移、地震、臨近空間大氣等系統(tǒng)考慮進來。