走近国家重大科技基础设施①把地球搬进实验室探访地球系统数值模拟装置

　　党的二十大报告指出：“统筹推进国际科技创新中心、区域科技创新中心建设，加强科技基础能力建设。”基础设施是经济社会发展的重要支撑，被称为“大科学装置”的国家重大科技基础设施，是推动重大科技创新的利器，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。党的十八大以来，在以习近平同志为核心的党中央坚强领导下，我国重大科技基础设施在范围、数量和质量上实现新的跃升，迎来快速发展时期。本版即日起推出“走近国家重大科技基础设施”系列报道，展示“大国重器”的风采。
　　北京雁栖湖畔，秋意正浓。怀柔科学城东区，中国科学院大气物理研究所未来园区内，有个地球的“孪生兄弟”，它不仅可以重现地球的过去，还能模拟地球的现在、推演地球的未来。
　　它就是国家重大科技基础设施——地球系统数值模拟装置“寰”。
　　10月17日，“寰”通过了全面验收的“大考”，正式开放运行。
　　那么，“寰”究竟长什么样？为什么要建造这一装置？我们又能用这个装置做些什么？记者近日走进中科院大气所未来园区，近距离感受这一“大国重器”的风采。

地球模拟实验室外景。本报记者 王珍 摄

　　用数学模型模拟风云变幻 “看不见、摸不着”的虚拟地球
　　谈及地球系统数值模拟装置，业内人士常说是“把地球搬进了实验室”。
　　地球这么大，如何搬进实验室？地球系统数值模拟装置并非把真的地球搬进实验室，而是打造了一个“看不见、摸不着”的虚拟地球。
　　“简单来讲，就是用数值读懂地球，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建立数学模型，并利用超级计算机求解，从而模拟地球大气、洋流、冰川、植被等情况。”中科院大气所怀柔科学城办公室主任、地球系统数值模拟装置副经理张木兰告诉记者。
　　为了让记者有更为直观的感受，中科院大气所正高级工程师、地球系统数值模拟装置总工程师助理唐晓带领记者来到园区的地球模拟实验室。
　　一进门，灯光闪烁、音响环绕，仿佛置身宇宙之中，科技感和未来感扑面而来。
　　穿过一条“时空隧道”，记者看到一个直径3米的LED“模拟地球”，上演着“风起云涌”，以可视化的方式模拟展示着不同时期地球大气、海洋、植被等变化情况。“这些‘风起云涌’背后就是不同数学模型的支撑。”唐晓告诉记者，软件是这一装置的“灵魂”所在。

地球模拟实验室内的LED“模拟地球”，可视化展示地球系统多圈层模拟结果。本报记者 王珍 摄

　　据介绍，地球上的空气、江河湖海、山石冰雪、绿树红花等纷繁万物，对应着地球上的五大圈层：大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈。千百年来，人们感受着万物变化的同时，也在不停地探索、总结自然变化的规律。
　　随着科学的进步，科学家们通过观测和理论研究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。“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。”唐晓解释道，比如，大气模式本质上就是大气运动方程、连续方程、热力学方程的代码集合。
　　不过，自然界中万物息息相关，不同圈层相互作用、相互影响，一次性将所有圈层的数理方程囊括在一个代码集合里，并不容易。
　　“我们首先构建起描述单个圈层的模式，再通过耦合器将大气、海洋、海冰、陆面、动态植被等各个独自运行的模式有机联合在一起，就得到了一个相对完整的‘地球系统模式’，最大程度模拟出自然界的演变过程。”唐晓说。
　　得到了这个数字化的“地球”后，收集融合地球系统的各种观测数据，通过超级计算机进行大规模的数值计算，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、推演地球的未来，从而进行有针对性的“地球试验”。
　　“‘寰’的地球系统模式是国际上水平分辨率最高、功能最全的地球系统模式之一，特别是对亚洲季风的模拟和预测性能居世界前列。”张木兰告诉记者，“寰”的先进性就在于它充分考虑了多圈层之间的相互作用，“作为我国首个具有自主知识产权的地球系统模式，‘寰’目前可耦合大气、海洋、陆面、植被生态、大气化学、海洋生化、陆地生化7个分量模式。在不远的未来，还将进一步耦合空间天气、大陆冰盖和固体地球模块等，堪称最‘完整’的地球系统模式。”
　　软硬件协同让读懂地球更容易 提升我国气候问题话语权和影响力
　　在地球模拟实验室，记者还看到了“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。气温变化、海平面变化、北极海冰变化……一目了然。
　　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，离不开超算的支持。记者看到，专为“寰”研制的面向地球科学的高性能计算系统——硅立方，是一个约16米高的立方体，采用独特的计算分区设计，具备高效、节能、环保优点。
　　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。”唐晓介绍。此外，“硅立方”数据库拥有120PB的存储空间，可以装下约20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。
　　记者了解到，地球系统数值模拟装置由应用软件——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，以及配套的土建设施构成。
　　软硬件协同设计赋予了“寰”强大的解读地球的能力，能够有效提升我国在气候与环境领域的国际话语权和影响力。
　　曾庆存，中国科学院院士、国家最高科学技术奖得主，是地球系统数值模拟装置的发起人之一。至今，他仍记得20世纪90年代参加世界气候变化问题讨论时，发展中国家的被动局面。
　　“寰”的问世有助于扭转这一局面。
　　“我们要用自己的计算数据作为气候与环境领域谈判的依据，提升我国的国际话语权。”在“寰”落成仪式上，曾老先生的发言掷地有声。
　　服务于应对气候变化、生态文明建设、“双碳”愿景目标、防灾减灾等国家重大需求，并为我国在国际相关议题上增强话语权提供有力的科技支撑，正是地球系统数值模拟装置的建设初衷。
　　“我们突破了海、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。”唐晓介绍，对温室气体的核算、未来升温预估等，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，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，为提升我国在气候与环境领域的国际话语权和影响力以及实现“双碳”目标等，提供强有力的科技和数据支撑。
　　2021年8月9日，联合国政府间气候变化专门委员会发布的报告中，很多预估数据背后都有“寰”的支撑。
　　视觉系统强大，既可观“大”也可观“小” 为精细化天气预报、防灾减灾等提供支撑
　　今年年初举办的北京冬奥会上，强大的气象保障能力获得社会各界称赞。
　　“百米级、分钟级”的精细化数值预报背后，也离不开地球系统数值模拟装置的强大支撑。

观众在北京科技周上参观地球系统数值模拟装置的硅立方机房内景模拟场景。（图片来源：视觉中国）

　　‘寰’有着强大的‘视觉系统’，大到整个地球、小到区域局部，都能‘看得清’。”唐晓告诉记者，除了地球系统模式数值模拟系统之外，“寰”还有一个区域高精度环境模拟系统。“寰”的全球模式水平分辨率最高达到10至25公里，区域高精度模式空间分辨率可达1至3公里，可实现对旱洪涝、高温热浪、台风、沙尘暴等一些灾害性天气的模拟及预测，以提高我国防灾预警水平、增强防灾减灾能力。
　　“在超级算力的支持下，我们可以将气象预报的精准度提高。”张木兰告诉记者，针对北京冬奥会，科研人员专门建立了百米级监测预报模式系统，重点模拟预报地面大风、近地面气温和降雪等冬奥会高影响天气过程，如风速、温度、相对湿度、积雪深度等。
　　记者了解到，常规预报系统通常是十几公里甚至更大尺度的预报，百米级监测预报模式系统针对赛区做了非常精细的“空间切割”，即把重点区域划分为400多米的网格，每个网格内的天气情况都能够实现分钟级预报，“这好比高像素的相机能够让照片的分辨率更高”。
　　今年7月初，台风“暹芭”在广东沿海地区登陆。与此同时，在几千公里外的北京，中科院大气所的科研人员用这一模式系统对台风的整体运动路径作出了分析，精准预测了台风过境带来的降雨等影响。
　　未来，随着各项基础设施平台的逐步完善，将会有更多人能够享受到如此精确的天气预报服务。
　　不仅可以及时“捕捉”小范围的天气变化情况，地球系统数值模拟装置中还有一套高精度大气污染预测预警模式系统，具备高分辨率下完整模拟大气污染物理化学过程的能力，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。
　　“它能够模拟大气中化学成分的排放、扩散、对流、化学转化、干湿沉降等过程，模拟臭氧、氮氧化物等气体，以及沙尘、海盐、硫酸盐、硝酸盐、有机碳等气溶胶成分的时空变化。”唐晓告诉记者，“寰”具备多种大气污染物模拟能力、源识别与追踪技术，可以实现污染物的预报溯源分析，从而更加精准支持大气污染治理，助力美丽中国建设。
　　据介绍，自去年6月试运行以来，“寰”在气候变化国际合作、国家减灾防灾、重大活动保障、大气污染防治及天气预报等方面取得了一系列重要成果。装置正式运行后，将进一步加大开放共享力度。
　　认识地球、读懂地球、保护地球，我们探索未知的步伐从未停歇。
　　装置简介
　　地球系统数值模拟装置——“寰”，是我国“十二五”重大科技基础设施项目，也是我国首个具有自主知识产权，以地球系统各圈层数值模拟软件为核心，软硬件指标相适应，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，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。