大国重器“寰”：模拟地球 推演未来

    2021年，由中国科学院大气物理研究所牵头的国家重大科技基础设施地球系统数值模拟装置“寰”（EarthLab）即将建成。这是我国的又一项大国重器，通过超级计算机进行大规模的数值计算，能够重现地球的过去、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——2020年12月24日，中国科学院大气物理研究所成立全国首家从事碳中和基础研究的科研机构，这一设施必将为我国实现碳达峰、碳中和提供科学路径和科技支撑。

什么是地球系统模拟实验室

    地球系统模拟装置，又称地球模拟实验室。《巴黎协定》中提出的无论是1.5℃还是2℃温升目标，均是基于地球系统模拟装置计算出来的。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。

    地球上气态的空气、液态的江河湖海、固态的山石冰雪、不断演化的生命体……这些纷繁万物，可以简单地归为五大圈层：大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈。千百年来人们感受着各个圈层中物候变化的同时，也在对自然界的经验进行总结。基于科学的进步，我们已经能够总结出一部分自然变化的物理规律，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计算机代码，就得到了对应于各个圈层的代码集合，也就是我们常说的模式。例如大气模式本质上就是大气运动方程、连续方程、热力学能量方程的代码集合。

    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”的优势

    我们已经知道，现实中的地球是一个各圈层紧密联系的复杂系统，各个圈层中包含了许多物理、化学和生物过程，因此一个地球系统模式包含的圈层数目以及描述各个圈层中自然过程的完整度直接影响着其模拟结果的真实性。国际上数值模式的发展正处于从气候系统模式向地球系统模式的过渡阶段，前者仅考虑大气、海洋、陆面等气候系统各圈层的模拟，后者则进一步考虑了碳氮循环、生物地球化学过程等，对各分系统之间的耦合要求也相对更高。

    作为综合国力的体现，各国科学家都在积极研发自己的数值模式。例如，正在进行中的第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）就有来自全球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，仅有美国、欧洲、日本、中国等少数国家和地区提交了地球系统模式，其中就包括了由中科院大气物理研究所牵头研发的地球系统模式CAS-ESM2.0。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。CAS-ESM2.0在CMIP6对比试验中表现优异，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。

    “寰”坐落于北京怀柔科学城，是一个以地球系统各圈层数值模拟软件为核心，软硬件相适应，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。“寰”的建设内容不仅包括主要的地球系统模式数值模拟系统，还有区域高精度（空间分辨率1-3公里）环境模拟系统，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，面向地球科学的高性能计算系统，以及配套的土建设施。“寰”建成后可为我国的地球系统科学研究提供新的范式。

    作为全球地球系统模拟装置的后起之秀，“寰”采用了具有我国自主知识产权的数值模拟软件系统，有完整、自洽和严谨的全套动力、物理、化学和生态过程，分辨率达到世界先进水平。并且在进行多圈层耦合时充分考虑了各个圈层之间的相互作用，在不远的未来，“寰”还将进一步耦合空间天气、大陆冰川和固体地球模块（如地球板块移动及其引发的地形变化、地震、火山爆发等），地球系统模拟将扩展到临近空间和固体地球领域。

    除了软件的支持外，如果没有相适应的计算机硬件相匹配，那所有的试验都将是纸上谈兵。全球尺度的模拟实验，是一项具有宽广时间尺度的超级计算工程，“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”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。

大国重器，剑指何方

    在“碳中和”路线下，我们将大力发展新能源及各种节能减排技术，减少碳排放，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吸收，最终使得CO2的排放量等于吸收量，即实现碳的“净零排放”。

    对温室气体核算、未来升温预估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，而这正是“寰”的优势所在。“寰”能够更全面地考虑地球系统的各个组成部分，特别是与地球生态系统和生物地球化学过程的相关模拟及其与气候系统的相互作用，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，从而减少1.5℃温升目标与碳排放量关系间的不确定性。

    除此之外，在全球变暖的气候背景下，过去三十年间有关极端天气事件及其对人类生活影响的报道不断增加，这些事件包括强台风、高温、暴雨、干旱、和寒潮。这样的极端天气事件的空间尺度是几公里，时间尺度在几小时内。要想准确捕捉这些天气过程，就需要提高模式的空间分辨率，但也意味着必须承载随之增加的庞大计算量。配备高性能计算机硬件的“寰”建成后，给准确极端天气和气候事件提供了可能。利用更加精细和完善的地球系统模式，“寰”能够捕捉更全面的预测信号，以提高我国防灾预警水平、增强防灾减灾能力。

    随着我国城市化进程的推进，多种污染问题随之产生。大气污染问题涉及地球系统复杂排放过程，包含全球和区域传输过程以及城市尺度动力过程，这给大气污染模拟研究提出了重大挑战。合理并完整模拟再现这些过程，是研究大气污染和进行大气污染治理的关键前提。“寰”具有区域高精度大气污染模式分系统，能够模拟大气中化学成分的排放、扩散、化学转化等过程。不仅如此，“寰”具备重金属模拟能力、耦合源识别与追踪技术，能够做好污染物的“溯源”分析，从而提高大气污染预测水平，让“美丽中国”生态文明之路行稳致远。

    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。

    放眼全球，美、日、欧等发达国家已建有软硬件结合的面向地球系统的专门模拟装置。如美国国家大气科学中心（NCAR）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系统模式，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。

    变化正在发生，未来已经到来。国之重器“寰”的问世，将使我国在地球模拟科学特别是在全球气候变化学术领域不再处于被动地位，在应对全球气候变化问题时，我们将能够掌握更多的话语权！

    （作者：陈可鑫、赵寅，均系中国科学院大气物理研究所博士，图片均由该所提供）