怀柔科学城设施平台使用攻略 | 地球系统数值模拟装置
日期：2025-08-28
来源：北京怀柔科学城管理委员会
地球是人类共同的家园，气候变化已经成为21世纪全球最为紧迫和广泛关注的议题之一。在怀柔科学城，我国自主研发的地球系统数值模拟装置——“寰”，正通过超级计算能力，模拟推演地球系统的过去与未来，为国家防灾减灾、气候变化应对、大气环境治理等重大问题提供科学支撑。该装置由中国科学院大气物理研究所及清华大学共建，是怀柔综合性国家科学中心首个正式运行的国家重大科技基础设施，实现“将地球搬进实验室”，推动了地球系统科学不同学科之间的学科交叉和融合，促进我国地球系统科学整体向国际一流水平跨越。
软硬协同，搭建超级“智能大脑”
“寰”采用软硬件协同设计，主体结构包括“地球系统模式数值模拟系统”“区域高精度环境模拟系统”两个应用系统，以及“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”三个支撑系统。
地球系统模式数值模拟系统
地球系统模式数值模拟系统打造了我国首个具有自主知识产权的、“完整”的地球系统模式CAS-ESM2.0，并于2023年开源发布。CAS-ESM2.0采用模块化框架，主体由大气环流、海洋环流、海冰、陆面过程、植被动力学、气溶胶和大气化学、陆地生化和海洋生化等8个分系统模式组成。另外，还独立发展了大陆冰盖、日地空间环境、固体地球等分系统模式。CAS-ESM2.0大气环流和陆面过程模式水平分辨率最高为25公里，垂直方向69层，海洋环流模式水平分辨率最高达10公里。此外，CAS-ESM2.0还参加了第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6），对热带风场、ENSO等指标的模拟性能位于世界前列，模拟数据公开发布于CMIP6官方网站，并被联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告采用。
区域高精度环境模拟系统
针对我国及周边区域，建成了包含大气污染、云可分辨天气预报、农业旱灾、气候变化风险等关键环境要素的区域精细化模拟系统，水平分辨率为全国3公里、重点区域1公里，局地的细分辨率达50米。系统可用于暴雨、台风等高影响天气的模拟预报以及PM2.5、臭氧等大气污染物的模拟、预报和溯源研究，亦可用于气候变化背景下东亚区域极端气候事件、森林生态系统、冰冻圈灾害等风险的预估和农业旱灾的遥感分析与作物生长模拟研究等。
超级模拟支撑与管理系统
超级模拟支撑与管理系统是我国首个支撑地球系统模式运行的管理软件，包括计算封装、模式资源和模式服务等分系统，研发了高效并行耦合器、算子库引入、异步并行I/O、代理模式、自动参数优化等技术，可灵活高效地支撑地球系统模式的设计、开发、调试验证、发布和应用的全流程科研活动。
支撑数据库和资料同化及可视化系统
支撑数据库和资料同化及可视化系统是国内首个支撑地球系统数值模拟的完整数据库，包括公共数据池和地球系统数值模拟数据共享门户系统。公共数据池除了为“寰”用户提供常用的历史数据外，还同步提供GFS、GDAS、CFS、ERA等常用的国际公开预报和再分析产品。共享门户系统（http://EarthLab-data.iap.ac.cn）面向全网提供地学领域的成果数据发布和数据推广服务，包括全球与区域模拟数据、卫星遥感数据、再分析数据等。用于地学大数据分析的可视化软硬件平台，支持6种不同形态跨尺度显示系统的展示与协同交互，球形显示屏直径为3米，分辨率达到583万有效像素。
面向地球科学的高性能计算系统
面向地球科学的高性能计算系统是根据地球科学各类应用模式的需求特点，设计和配置硬件结构，使硬件配置架构和科学软件的需求特性相匹配，最大限度地发挥硬件的能力，并满足未来发展和系统升级的要求。系统共有3360个计算节点，整机峰值计算能力达15.9PFlops，存储总容量126PB。通过软硬件协同攻关，实现了CAS-ESM2.0在国产芯片上的高效稳定运行。
自主研制，研发应用成果
“寰”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。目前，该装置已在气候预测、环境治理和防灾减灾等领域实现多项重要技术成果的实际应用——
基于中国科学院地球系统模式CAS-ESM研发出次季节-季节预测系统，可实现全球及中国区域的月、季节及年尺度的温度、降水、沙尘、河道流量等气象环境要素的实时预测，支撑国家防灾减灾和相关决策。
自主研发了集多污染类型和多尺度为一体的新一代公里级大气环境溯源预报系统，创新了数值模式框架、同化反演、溯源追踪和动态调控等溯源预报的关键技术，为北京冬奥会、杭州亚运会等重大活动空气质量保障的精准应对提供了重要的技术支撑，未来可为我国构建减污降碳一体谋划、一体部署、一体推进、一体考核的制度机制提供关键核心技术。
基于中国科学院大气物理研究所海洋环流模式LICOM3.0研发出全球高分辨率海洋环境预报系统(LFS)，已实现在国家海洋环境预报中心的业务化试运行，为2020年中国气象局海洋综合气象观测试验和斯里兰卡油轮起火救援、2023年鲁蓬远渔等事件提供了海洋预报保障。
中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟与应用全国重点实验室陈曦研究员团队依托地球系统数值模拟装置成功构建了公路边坡智能预警模型，该成果已在交通运输部路网监测与应急处置中心完成部署。
基于区域云可分辨天气预报模式，搭建了2022年北京冬奥/冬残奥会赛区高分辨率集合预报系统，参与崇礼赛区气象预报保障服务工作。通过多源观测同化、集合预报、多层区域嵌套、动力降尺度等多项关键技术，实现百米级网格天气预报，实时提供云顶1号、跳台2号等多条赛道的风速、温度、相对湿度、湿球温度和积雪深度等要素0-84小时预报。
开放合作，驱动跨学科创新融合
地球系统数值模拟装置推动了地学、计算科学、社会学、经济学等学科之间交叉与融合，面向国内外用户合作开展相关领域前沿科学研究，还可与气象、环保、农业、水利、电力、保险等行业部门合作，针对特定行业需求，开展气象与环境预测及延伸的相关应用服务。
开放共享情况
全球和区域地球系统模式的源代码、开发及应用平台：包括地球系统模式、区域模式、科学可视化软件、模式诊断评估软件等；
模式模拟数据：包括全球与区域模拟数据、卫星遥感数据、再分析数据等；
高性能计算平台：用户可以部署自己研发的模式，利用装置的计算资源、支撑软件等条件开展研究。
用户申请方式
地球系统数值模拟装置每年组织两次普通课题征集，申请人需通过登录中国科学院重大科技基础设施共享服务平台（http://lssf.cas.cn）注册用户账号，提交用户课题申请。
（注：课题申请时，需说明研究背景、试验方案、预期成果、前期研究基础和预计机时等内容。）
课题申请流程
用户提交申请——课题审核——批复通知
课题申请网址：http://lssf.cas.cn
联系方式
联系人：张老师
联系电话：010-82995451
邮箱：earthlab@mail.iap.ac.cn
网址：https://earthlab.iap.ac.cn
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