大國重器“寰”：模擬地球 推演未來

2021年，由中國科學院大氣物理研究所牽頭的國家重大科技基礎設施地球系統數值模擬裝置“寰”（EarthLab）即將建成。這是我國的又一項大國重器，通過超級計算機進行大規模的數值計算，能夠重現地球的過去、模擬地球的現在、預測地球的未來，從而進行有針對性的“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揮重要作用——2020年12月24日，中國科學院大氣物理研究所成立全國首家從事碳中和基礎研究的科研機構，這一設施必將為我國實現碳達峯、碳中和提供科學路徑和科技支撐。

什麼是地球系統模擬實驗室

地球系統模擬裝置，又稱地球模擬實驗室。《巴黎協定》中提出的無論是1.5℃還是2℃温升目標，均是基於地球系統模擬裝置計算出來的。簡單來説，就是將模擬的“地球”放進實驗室裏，看看在不同二氧化碳排放量造成的全球變暖下，“地球”上自然系統的響應程度如何，最終確定一個合適的温升目標。注意，這裏所説的“地球”並不是一個真實的地球，而是一個基於各種物理數學方程的數字化地球。

地球上氣態的空氣、液態的江河湖海、固態的山石冰雪、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、岩石圈、生物圈。千百年來人們感受着各個圈層中物候變化的同時，也在對自然界的經驗進行總結。基於科學的進步，我們已經能夠總結出一部分自然變化的物理規律，並用數學公式將其定量地表述出來。進一步將這些數理方程編寫成計算機代碼，就得到了對應於各個圈層的代碼集合，也就是我們常説的模式。例如大氣模式本質上就是大氣運動方程、連續方程、熱力學能量方程的代碼集合。

由於自然界中萬物息息相關這一特性的複雜性，人們無法一次性將所有圈層的數理方程囊括在一個代碼集合裏。為了簡化問題的求解，人們首先構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合在一起。耦合器就像一個龐大工廠的交換車間，其中進行着各圈層間的物質、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。

得到了這個數字化的“地球”後，輸入某一時刻的觀測數據，在超級計算機進行大規模的數值計算，我們就能夠推演地球不同圈層的變化，由此重現地球的過去、模擬地球的現在、預測地球的未來，從而進行有針對性的“地球試驗”。

“寰”的優勢

我們已經知道，現實中的地球是一個各圈層緊密聯繫的複雜系統，各個圈層中包含了許多物理、化學和生物過程，因此一個地球系統模式包含的圈層數目以及描述各個圈層中自然過程的完整度直接影響着其模擬結果的真實性。國際上數值模式的發展正處於從氣候系統模式向地球系統模式的過渡階段，前者僅考慮大氣、海洋、陸面等氣候系統各圈層的模擬，後者則進一步考慮了碳氮循環、生物地球化學過程等，對各分系統之間的耦合要求也相對更高。

作為綜合國力的體現，各國科學家都在積極研發自己的數值模式。例如，正在進行中的第六次國際耦合模式比較計劃（CMIP6）就有來自全球33家機構的約112個氣候模式版本註冊參加，其數量為歷次之最。雖然目前國際上已有如此多的數值模式，但它們絕大多數仍是氣候系統模式，僅有美國、歐洲、日本、中國等少數國家和地區提交了地球系統模式，其中就包括了由中科院大氣物理研究所牽頭研發的地球系統模式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對比試驗中表現優異，對全球植被指數、總初級生產力等指標的模擬位居世界前列。

“寰”坐落於北京懷柔科學城，是一個以地球系統各圈層數值模擬軟件為核心，軟硬件相適應，規模及綜合技術水平位於世界前列的專用地球系統數值模擬裝置。“寰”的建設內容不僅包括主要的地球系統模式數值模擬系統，還有區域高精度（空間分辨率1-3公里）環境模擬系統，超級模擬支撐與管理系統、支撐數據庫和資料同化及可視化系統，面向地球科學的高性能計算系統，以及配套的土建設施。“寰”建成後可為我國的地球系統科學研究提供新的範式。

作為全球地球系統模擬裝置的後起之秀，“寰”採用了具有我國自主知識產權的數值模擬軟件系統，有完整、自洽和嚴謹的全套動力、物理、化學和生態過程，分辨率達到世界先進水平。並且在進行多圈層耦合時充分考慮了各個圈層之間的相互作用，在不遠的未來，“寰”還將進一步耦合空間天氣、大陸冰川和固體地球模塊（如地球板塊移動及其引發的地形變化、地震、火山爆發等），地球系統模擬將擴展到臨近空間和固體地球領域。

除了軟件的支持外，如果沒有相適應的計算機硬件相匹配，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”採用的國產芯片為超複雜的地球系統模式提供了超給力的算力支持。專為“寰”研製的“面向地球科學的高性能計算機系統”具有不低於15PFlops的計算峯值，其1分鐘的算力相當於全球72億人同時用計算器不間斷計算4年。整個系統共有3000多個水冷計算節點，相互之間採用HDR InfiniBand高速網絡連接，帶寬高達100Gbps。此外，“硅立方”數據庫擁有80PB的存儲空間，可以裝下約13個國家圖書館的館藏數據，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，我們將大力發展新能源及各種節能減排技術，減少碳排放，同時通過植樹造林、碳捕集與封存等“固碳”途徑，促進對大氣中温室氣體的吸收，最終使得CO2的排放量等於吸收量，即實現碳的“淨零排放”。

對温室氣體核算、未來升温預估均需要包含完整圈層的地球系統模式的模擬研究作為支撐，而這正是“寰”的優勢所在。“寰”能夠更全面地考慮地球系統的各個組成部分，特別是與地球生態系統和生物地球化學過程的相關模擬及其與氣候系統的相互作用，在此基礎上建立起“生態—氣温—二氧化碳濃度—碳排放量”的清晰關係，從而減少1.5℃温升目標與碳排放量關係間的不確定性。

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，這些事件包括強颱風、高温、暴雨、乾旱、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。要想準確捕捉這些天氣過程，就需要提高模式的空間分辨率，但也意味着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”建成後，給準確極端天氣和氣候事件提供了可能。利用更加精細和完善的地球系統模式，“寰”能夠捕捉更全面的預測信號，以提高我國防災預警水平、增強防災減災能力。

隨着我國城市化進程的推進，多種污染問題隨之產生。大氣污染問題涉及地球系統複雜排放過程，包含全球和區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。合理並完整模擬再現這些過程，是研究大氣污染和進行大氣污染治理的關鍵前提。“寰”具有區域高精度大氣污染模式分系統，能夠模擬大氣中化學成分的排放、擴散、化學轉化等過程。不僅如此，“寰”具備重金屬模擬能力、耦合源識別與追蹤技術，能夠做好污染物的“溯源”分析，從而提高大氣污染預測水平，讓“美麗中國”生態文明之路行穩致遠。

總之，“寰”的誕生將顯著提升我國地球科學的整體創新能力，在我國解決防災減災、環境治理、可持續發展和生態安全等重大科學問題中發揮重要作用。

放眼全球，美、日、歐等發達國家已建有軟硬件結合的面向地球系統的專門模擬裝置。如美國國家大氣科學中心（NCAR）憑藉其長時間世界領先的數值模擬裝置，發展了性能優異的地球系統模式，因此這些國家主導了政府間氣候變化專門委員會（IPCC）氣候變化預估試驗的設計和評估報告的撰寫。

變化正在發生，未來已經到來。國之重器“寰”的問世，將使我國在地球模擬科學特別是在全球氣候變化學術領域不再處於被動地位，在應對全球氣候變化問題時，我們將能夠掌握更多的話語權！