把地球搬进实验室

张璐

2021年6月23日，国家重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”——寰（EarthLab）在北京怀柔科学城东区落成启用，这是我国首个研制成功的地球系统数值模拟大科学装置。

“寰”是我国首个具有自主知识产权，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。2018 年经国家发改委批复，项目全面开工建设，其核心软件是中国科学院大气物理研究所自主研发的地球系统模式，集成耦合了包含大气、海洋、陆面、植被生态、大气化学、海洋生化、陆地生化在内的7 个分系统模式，能够模拟大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈的演变规律，对地球的过去进行反演、对现在进行观察、对未来进行预测。这套软件一天可以计算出地球的大气圈、水圈、岩土圈、生物圈等多个圈层10 年左右的变化。

在位于北京密云区的怀柔科学城东区，“寰”地球模拟实验室的科普展厅已经开放。展厅中悬挂着直径3米、清晰度达到5K 的LED 球形屏，装置模拟实验的部分结果会通过球体进行可视化直观展示。装置还可以模拟出不同时期天气气候、海洋环境、大气环境、极地海冰、植被生态的情况，时间跨度达到数百年。

“寰”的计算机硬件平台“硅立方”也已正式亮相。“硅立方”是一个大型机房，2—4层的超级计算机，一层为存贮装置。以往的超级计算机都是一层平铺的，这个是垂直放置的，所以叫硅立方。如此一来不仅占地面积小，最远的两个机柜之间的距离也小，数据传输就会更快。寰的建成将服务于应对气候变化、生态环境建设、双碳愿景目标、防灾减灾（如天气预报）等国家重大需求，为国际气候与环境谈判提供有力的科学支撑。

地球科学为何要用上数值模拟？

20世纪60年代，国际科学界提出地球科学应该怎样发展的问题。当时世界上有两种科学研究方法，一种是理论探讨，即理论分析、逻辑推算，理论分析需要实验去验证，验证正确了才是可靠的理论;另一种是实验分析。

但对地球科学，做实验是不现实的。做实验有很多详细条件，例如需要保证实验室环境和真实环境一致。要做关于地球的实验，需要满足的条件太多，没办法做到全部符合。此外，做实验有时候要破坏一个“环境”，像生物科学可通过解剖来实现，但对全地球却没法开展类似实验，因为地球环境不容破坏。

当时正值电子计算机出现，于是国际上提出了第3种科学研究的办法，叫数值模拟，或称数值试验。

简单来说，这一方法就是提出一个理论后，要验证这个理论对不对，就需要建立数学模型并利用电子计算机求解，把经过理论模型计算后的数值和实际对比，来证明理论预测是不是和实际的一致。如果这个数学模型与实际相符，就可用来做模拟实验。

地球系统模式软件是复杂的巨系统模型，需要多学科紧密联系，这是大气科学、计算科学和计算机技术融合的一个典型。

地球系统模拟装置是如何工作的？

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，人们在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，科研人员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。

科技人员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，科研人员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”如何预警极端天气、助力防灾减灾？

在全球变暖的气候背景下，过去30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千米，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，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。

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。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。

“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。

“寰”如何为碳中和提供支撑？

自19世纪末以来，地球的平均地表温度上升了约1.18℃，大多数变暖过程发生在过去40年里，其中2016年和2020年是有记录以来最热的两年。全球温度的升高意味着人类将面临更多极端灾害天气：极端热浪、极端干旱、极端强对流天气以及更为猛烈的台风袭击等。

2015年，《巴黎协定》提出让所有国家共同致力于实现相同的长期目标：加强对气候变化所产生的威胁做出全球性回应，到21世纪末，将全球平均温升保持在相对于工业化前水平2℃以内，并为全球平均温升控制在1.5℃以内付出努力。

無论是1.5℃还是2℃温升目标，均是基于全球先进的地球模拟实验室计算出来的——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。这涉及对全球碳源汇收支的科学评估，对碳氮循环过程、生物地球化学过程的全球尺度模拟，是一项具有宽广时间尺度的超级计算工程。

我国承诺，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。“寰”具有过程完善的地球系统模式以及面向地球科学的高性能计算机系统，能够实现高精度的数值模拟计算，以应对宽广时空尺度上的气候系统的非线性计算。

“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，对温室气体核算、未来升温预估提供有力的模拟支撑。

比如陆地系统作为全球最重要的碳汇之一，其作用在制定“碳中和”决策中不可忽视。“寰”使用的新版全球植被动力学模式能对全球植被分布和碳通量进行准确的模拟，从而更准确地把握陆地生态系统对全球变化的响应和反馈。