2021年，由中國科學(xué)院大氣物理研究所牽頭的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置“寰”（EarthLab）即將建成。這是我國的又一項大國重器，通過超級計算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)值計算，能夠重現(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(jìn)行有針對性的“地球試驗”。這一大國重器也將在碳中和、氣候變化等研究中發(fā)揮重要作用——2020年12月24日，中國科學(xué)院大氣物理研究所成立全國首家從事碳中和基礎(chǔ)研究的科研機(jī)構(gòu)，這一設(shè)施必將為我國實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和提供科學(xué)路徑和科技支撐。
什么是地球系統(tǒng)模擬實驗室
地球系統(tǒng)模擬裝置，又稱地球模擬實驗室。《巴黎協(xié)定》中提出的無論是1.5℃還是2℃溫升目標(biāo)，均是基于地球系統(tǒng)模擬裝置計算出來的。簡單來說，就是將模擬的“地球”放進(jìn)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)。注意，這里所說的“地球”并不是一個真實的地球，而是一個基于各種物理數(shù)學(xué)方程的數(shù)字化地球。
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(jìn)行總結(jié)。基于科學(xué)的進(jìn)步，我們已經(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(jìn)一步將這些數(shù)理方程編寫成計算機(jī)代碼，就得到了對應(yīng)于各個圈層的代碼集合，也就是我們常說的模式。例如大氣模式本質(zhì)上就是大氣運(yùn)動方程、連續(xù)方程、熱力學(xué)能量方程的代碼集合。
由于自然界中萬物息息相關(guān)這一特性的復(fù)雜性，人們無法一次性將所有圈層的數(shù)理方程囊括在一個代碼集合里。為了簡化問題的求解，人們首先構(gòu)建起描述單個圈層的模式，再通過“耦合器”將各個獨(dú)自運(yùn)行的模式有機(jī)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(jìn)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。
得到了這個數(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(jī)進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)值計算，我們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(jìn)行有針對性的“地球試驗”。
“寰”的優(yōu)勢
我們已經(jīng)知道，現(xiàn)實中的地球是一個各圈層緊密聯(lián)系的復(fù)雜系統(tǒng)，各個圈層中包含了許多物理、化學(xué)和生物過程，因此一個地球系統(tǒng)模式包含的圈層數(shù)目以及描述各個圈層中自然過程的完整度直接影響著其模擬結(jié)果的真實性。國際上數(shù)值模式的發(fā)展正處于從氣候系統(tǒng)模式向地球系統(tǒng)模式的過渡階段，前者僅考慮大氣、海洋、陸面等氣候系統(tǒng)各圈層的模擬，后者則進(jìn)一步考慮了碳氮循環(huán)、生物地球化學(xué)過程等，對各分系統(tǒng)之間的耦合要求也相對更高。
作為綜合國力的體現(xiàn)，各國科學(xué)家都在積極研發(fā)自己的數(shù)值模式。例如，正在進(jìn)行中的第六次國際耦合模式比較計劃（CMIP6）就有來自全球33家機(jī)構(gòu)的約112個氣候模式版本注冊參加，其數(shù)量為歷次之最。雖然目前國際上已有如此多的數(shù)值模式，但它們絕大多數(shù)仍是氣候系統(tǒng)模式，僅有美國、歐洲、日本、中國等少數(shù)國家和地區(qū)提交了地球系統(tǒng)模式，其中就包括了由中科院大氣物理研究所牽頭研發(fā)的地球系統(tǒng)模式CAS-ESM2.0。值得一提的是，CAS-ESM正是地球模擬實驗室“寰”的核心模式軟件。CAS-ESM2.0在CMIP6對比試驗中表現(xiàn)優(yōu)異，對全球植被指數(shù)、總初級生產(chǎn)力等指標(biāo)的模擬位居世界前
“寰”坐落于北京懷柔科學(xué)城，是一個以地球系統(tǒng)各圈層數(shù)值模擬軟件為核心，軟硬件相適應(yīng)，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。“寰”的建設(shè)內(nèi)容不僅包括主要的地球系統(tǒng)模式數(shù)值模擬系統(tǒng)，還有區(qū)域高精度（空間分辨率1-3公里）環(huán)境模擬系統(tǒng)，超級模擬支撐與管理系統(tǒng)、支撐數(shù)據(jù)庫和資料同化及可視化系統(tǒng)，面向地球科學(xué)的高性能計算系統(tǒng)，以及配套的土建設(shè)施。“寰”建成后可為我國的地球系統(tǒng)科學(xué)研究提供新的范式。
作為全球地球系統(tǒng)模擬裝置的后起之秀，“寰”采用了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)值模擬軟件系統(tǒng)，有完整、自洽和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜讋恿Α⑽锢怼⒒瘜W(xué)和生態(tài)過程，分辨率達(dá)到世界先進(jìn)水平。并且在進(jìn)行多圈層耦合時充分考慮了各個圈層之間的相互作用，在不遠(yuǎn)的未來，“寰”還將進(jìn)一步耦合空間天氣、大陸冰川和固體地球模塊（如地球板塊移動及其引發(fā)的地形變化、地震、火山爆發(fā)等），地球系統(tǒng)模擬將擴(kuò)展到臨近空間和固體地球領(lǐng)域。
除了軟件的支持外，如果沒有相適應(yīng)的計算機(jī)硬件相匹配，那所有的試驗都將是紙上談兵。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，“寰”采用的國產(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。專為“寰”研制的“面向地球科學(xué)的高性能計算機(jī)系統(tǒng)”具有不低于15PFlops的計算峰值，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。整個系統(tǒng)共有3000多個水冷計算節(jié)點(diǎn)，相互之間采用HDR InfiniBand高速網(wǎng)絡(luò)連接，帶寬高達(dá)100Gbps。此外，“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。
大國重器，劍指何方
在“碳中和”路線下，我們將大力發(fā)展新能源及各種節(jié)能減排技術(shù)，減少碳排放，同時通過植樹造林、碳捕集與封存等“固碳”途徑，促進(jìn)對大氣中溫室氣體的吸收，最終使得CO2的排放量等于吸收量，即實現(xiàn)碳的“凈零排放”。
對溫室氣體核算、未來升溫預(yù)估均需要包含完整圈層的地球系統(tǒng)模式的模擬研究作為支撐，而這正是“寰”的優(yōu)勢所在。“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)—?dú)鉁亍趸紳舛取寂欧帕俊钡那逦P(guān)系，從而減少1.5℃溫升目標(biāo)與碳排放量關(guān)系間的不確定性。
除此之外，在全球變暖的氣候背景下，過去三十年間有關(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(qiáng)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公里，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(jī)硬件的“寰”建成后，給準(zhǔn)確極端天氣和氣候事件提供了可能。利用更加精細(xì)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(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)能力。
隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，多種污染問題隨之產(chǎn)生。大氣污染問題涉及地球系統(tǒng)復(fù)雜排放過程，包含全球和區(qū)域傳輸過程以及城市尺度動力過程，這給大氣污染模擬研究提出了重大挑戰(zhàn)。合理并完整模擬再現(xiàn)這些過程，是研究大氣污染和進(jìn)行大氣污染治理的關(guān)鍵前提。“寰”具有區(qū)域高精度大氣污染模式分系統(tǒng)，能夠模擬大氣中化學(xué)成分的排放、擴(kuò)散、化學(xué)轉(zhuǎn)化等過程。不僅如此，“寰”具備重金屬模擬能力、耦合源識別與追蹤技術(shù)，能夠做好污染物的“溯源”分析，從而提高大氣污染預(yù)測水平，讓“美麗中國”生態(tài)文明之路行穩(wěn)致遠(yuǎn)。
總之，“寰”的誕生將顯著提升我國地球科學(xué)的整體創(chuàng)新能力，在我國解決防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境治理、可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全等重大科學(xué)問題中發(fā)揮重要作用。
放眼全球，美、日、歐等發(fā)達(dá)國家已建有軟硬件結(jié)合的面向地球系統(tǒng)的專門模擬裝置。如美國國家大氣科學(xué)中心（NCAR）憑借其長時間世界領(lǐng)先的數(shù)值模擬裝置，發(fā)展了性能優(yōu)異的地球系統(tǒng)模式，因此這些國家主導(dǎo)了政府間氣候變化專門委員會（IPCC）氣候變化預(yù)估試驗的設(shè)計和評估報告的撰寫。
變化正在發(fā)生，未來已經(jīng)到來。國之重器“寰”的問世，將使我國在地球模擬科學(xué)特別是在全球氣候變化學(xué)術(shù)領(lǐng)域不再處于被動地位，在應(yīng)對全球氣候變化問題時，我們將能夠掌握更多的話語權(quán)！
來源：《光明日報》
