日前，由中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所和清華大學(xué)共同建設(shè)的“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”順利通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，正式開(kāi)放運(yùn)行。該裝置位于懷柔科學(xué)城東部組團(tuán)密云經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。

這一大科學(xué)裝置英文名為“Earthlab”，中文名為“寰”，將研究地球系統(tǒng)的大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈、生物圈的物理、化學(xué)、生物過(guò)程及其相互作用，探究上述相互作用對(duì)地球系統(tǒng)整體和我國(guó)區(qū)域環(huán)境的影響等，被形象地稱(chēng)為“把地球搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”。

影響地球氣候的五大圈層

今年夏天，我國(guó)多地氣溫打破當(dāng)?shù)貧v史紀(jì)錄，“高溫天氣”頻頻登上熱搜。受極端高溫和持續(xù)少雨的影響，長(zhǎng)江流域出現(xiàn)了極其嚴(yán)重的干旱，為61年來(lái)最強(qiáng)干旱。今年鄱陽(yáng)湖提前進(jìn)入枯水期，9月23日鄱陽(yáng)湖星子站水位跌至7.10米，刷新鄱陽(yáng)湖有記錄以來(lái)歷史最低水位。經(jīng)受高溫“烤”驗(yàn)的遠(yuǎn)不止我國(guó)，整個(gè)北半球都在高溫下“掙扎”。比如，印度最高氣溫一度飆升到了50℃，部分地區(qū)創(chuàng)下百余年來(lái)的最高氣溫紀(jì)錄。歐洲遭遇了500年以來(lái)最嚴(yán)重的干旱，許多河流湖泊水位持續(xù)下降，甚至接近干涸。

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）發(fā)布的《氣候變化2021：自然科學(xué)基礎(chǔ)》報(bào)告中稱(chēng)，全球變暖如果不加以控制，過(guò)去50年一遇的極端高溫，未來(lái)或每6年會(huì)出現(xiàn)一次，同時(shí)暴雨和干旱也將變得更加頻繁。地球未來(lái)的氣候如何變化，以及如何采取措施和方法降低氣候變暖達(dá)到1.5℃閾值的概率，是目前世界各國(guó)面臨的最緊迫的科學(xué)問(wèn)題之一。

地球未來(lái)的氣候如何變化，這是一個(gè)多學(xué)科的問(wèn)題，因?yàn)榈厍蛳到y(tǒng)極為復(fù)雜，它包含了太陽(yáng)輻射、大氣動(dòng)力學(xué)、地理、地質(zhì)學(xué)、海洋環(huán)流、冰和生物圈之間錯(cuò)綜復(fù)雜的非線性相互作用。地球系統(tǒng)的概念，20世紀(jì)80年代由美國(guó)科學(xué)家提出，是指由地球自然圈層構(gòu)成的系統(tǒng)，一般包括大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈這五大圈層，更廣義的說(shuō)法還包括地核、地幔等。

地球系統(tǒng)各圈層之間彼此交錯(cuò)、相互影響，構(gòu)成了地球的演化，大氣圈與其它圈層相互作用，又影響著地球的氣候狀態(tài)。五大圈層中，任何一個(gè)圈層的變化，都可能引起一個(gè)地區(qū)甚至全球的氣候變化。

那么，用什么方法來(lái)研究地球系統(tǒng)呢？

20世紀(jì)60年代，國(guó)際科學(xué)界曾提出地球科學(xué)應(yīng)該怎樣發(fā)展的問(wèn)題。當(dāng)時(shí)提出了兩種科學(xué)研究方法，一種是理論探討，另一種是實(shí)驗(yàn)分析。理論探討當(dāng)然是沒(méi)有問(wèn)題的，然而對(duì)于地球科學(xué)，做實(shí)驗(yàn)顯然是不現(xiàn)實(shí)的。一方面，做實(shí)驗(yàn)有很多限定條件，如需要保證實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和真實(shí)環(huán)境一致，做關(guān)于地球的實(shí)驗(yàn)，沒(méi)辦法符合全部條件；另一方面，做實(shí)驗(yàn)有時(shí)候要破壞一個(gè)“環(huán)境”，我們對(duì)地球沒(méi)法開(kāi)展類(lèi)似實(shí)驗(yàn)，因?yàn)榈厍颦h(huán)境不容破壞。

用數(shù)值模擬預(yù)測(cè)天氣氣候

隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，國(guó)際上提出了第三種科學(xué)研究的方法，稱(chēng)為“數(shù)值模擬”或“數(shù)值試驗(yàn)”。簡(jiǎn)言之，就是通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，利用電子計(jì)算機(jī)求解，把經(jīng)過(guò)理論模型計(jì)算后的數(shù)值和實(shí)際對(duì)比，來(lái)證明理論預(yù)測(cè)是不是和實(shí)際的一致。如果這個(gè)數(shù)學(xué)模型與實(shí)際相符，就可用來(lái)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

上世紀(jì)60年代，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所的曾慶存（現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院院士、國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者、“寰”發(fā)起人之一）從單一的大氣圈入手，發(fā)展了一個(gè)區(qū)域尺度且相對(duì)簡(jiǎn)化的大氣模式，能在小范圍內(nèi)預(yù)報(bào)出短時(shí)間內(nèi)的天氣情況。在這項(xiàng)研究中，曾慶存從分析大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的本質(zhì)入手，用不同的計(jì)算方法分別計(jì)算不同過(guò)程，提出了“半隱式差分法”，是世界上首個(gè)用原始方程直接進(jìn)行實(shí)際天氣預(yù)報(bào)的方法。該算法至今仍是世界數(shù)值天氣預(yù)報(bào)核心技術(shù)的基礎(chǔ)。

到了上世紀(jì)80年代，曾慶存帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套全球尺度的大氣環(huán)流模式，在此基礎(chǔ)上，后人不斷對(duì)其升級(jí)。上世紀(jì)90年代，曾慶存又和團(tuán)隊(duì)利用大氣、海洋、陸面三個(gè)分系統(tǒng)模型，耦合成氣候系統(tǒng)模式，這個(gè)模式在超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了跨季度的氣候預(yù)測(cè)，比如在冬末就能預(yù)測(cè)來(lái)年夏天的洪水。

然而，要研究長(zhǎng)時(shí)間跨度的氣候變化問(wèn)題，不能只利用大氣、海洋、陸面模型，還需要將地球系統(tǒng)中對(duì)氣候狀態(tài)變化有影響的環(huán)境、生態(tài)等過(guò)程都考慮在內(nèi)，并計(jì)算它們之間的相互作用，這就必須建立一個(gè)更復(fù)雜的地球系統(tǒng)模式，也需要一個(gè)足夠強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)。21世紀(jì)初，國(guó)際上的氣候變化研究開(kāi)始從氣候系統(tǒng)模擬向地球系統(tǒng)模擬過(guò)渡，日本、美國(guó)、歐洲等國(guó)家和地區(qū)紛紛制定了地球系統(tǒng)模式研究計(jì)劃，并投入巨資進(jìn)行發(fā)展。

用數(shù)字造出地球“孿生兄弟”

2005年，曾慶存初步提出了“地球系統(tǒng)模式”的設(shè)想。2007年，在一次地球系統(tǒng)模式研討會(huì)上，曾慶存與科學(xué)家們討論了地球系統(tǒng)模式如何應(yīng)用到未來(lái)氣候變化研究，得到中科院的高度重視。2011年，中科院向國(guó)家申報(bào)建立“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”。2013年，申報(bào)獲國(guó)家批準(zhǔn)。2018年，“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”在北京懷柔科學(xué)城東部組團(tuán)密云經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)破土動(dòng)工，正式進(jìn)入建設(shè)實(shí)施階段。2021年6月23日，“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”在北京懷柔科學(xué)城實(shí)現(xiàn)試運(yùn)行，為建黨百年、北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)等重大活動(dòng)提供氣象和環(huán)境保障，取得了不錯(cuò)的效果。2022年10月17日，“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，正式開(kāi)放運(yùn)行。

地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置——“寰”是我國(guó)研制成功的首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，以地球系統(tǒng)各圈層數(shù)值模擬軟件為核心，軟、硬件指標(biāo)相適應(yīng)，規(guī)模及綜合技術(shù)水平位于世界前列的專(zhuān)用地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置。“獨(dú)立自主”是“寰”最值得驕傲的“特質(zhì)”（軟、硬件的自主化率超過(guò)90%），它是首個(gè)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“完整”地球系統(tǒng)模式，采用國(guó)產(chǎn)芯片，取得了我國(guó)大科學(xué)裝置建設(shè)“自主可控”的突破。

作為一個(gè)軟、硬件一體的大科學(xué)裝置，“寰”包含兩個(gè)應(yīng)用軟件（地球系統(tǒng)模式數(shù)值模擬系統(tǒng)、區(qū)域高精度環(huán)境模擬系統(tǒng)）和兩個(gè)支撐軟件，實(shí)現(xiàn)了全球高分辨率（大氣24公里、海洋7.8公里）數(shù)值模擬、全國(guó)1至3公里區(qū)域高精度環(huán)境模擬。“寰”的硬件設(shè)備“硅立方”，是專(zhuān)為“寰”研制的面向地球科學(xué)的高性能計(jì)算系統(tǒng)，采用獨(dú)特的計(jì)算分區(qū)設(shè)計(jì)，與通用超算相比，具備“高效、節(jié)能、環(huán)保”優(yōu)點(diǎn)，其1分鐘的算力相當(dāng)于全球76億人同時(shí)用計(jì)算器不間斷計(jì)算4年，并提供了126PB的總存儲(chǔ)空間，可以裝下約20個(gè)國(guó)家圖書(shū)館的館藏?cái)?shù)據(jù)，保存著大氣、海洋、陸地、生態(tài)等地球科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)各個(gè)圈層的觀測(cè)及模擬資料，可以說(shuō)是為地球打造了一個(gè)“孿生兄弟”。

“寰”的使命與未來(lái)

數(shù)值模式是“寰”的靈魂，“寰”的核心模式軟件就是大氣所經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期科研攻關(guān)、自主研發(fā)的地球系統(tǒng)模式CAS-ESM。除了傳統(tǒng)的大氣環(huán)流、海洋環(huán)流、陸面過(guò)程等用于描述氣候系統(tǒng)（溫度、降水、海溫、極端天氣等）演變的分量模式，還加入了用于描述生態(tài)和環(huán)境變化的分量模式，如植被演替，全球碳循環(huán)，氣溶膠的排放、生成和傳輸，海洋上層生態(tài)系統(tǒng)生長(zhǎng)消亡等，此外還拓展了具有我國(guó)獨(dú)創(chuàng)特色的模塊，如日地空間環(huán)境模式、固體地球模式、大陸冰蓋模式等。

“寰”不僅有“大局觀念”，可以預(yù)測(cè)全球的氣候變化，關(guān)注全人類(lèi)的命運(yùn)，也同樣注重“細(xì)節(jié)”。“寰”的另一個(gè)模式系統(tǒng)——區(qū)域高精度環(huán)境模擬系統(tǒng)，直接面向我國(guó)天氣預(yù)報(bào)、大氣污染預(yù)報(bào)預(yù)警、農(nóng)業(yè)干旱預(yù)測(cè)以及氣候風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估等關(guān)鍵區(qū)域環(huán)境問(wèn)題，形成對(duì)我國(guó)主要環(huán)境要素（氣候、天氣、大氣污染、農(nóng)業(yè)旱災(zāi)）的高精度模擬能力。系統(tǒng)的區(qū)域高精度大氣污染模式分系統(tǒng)，是國(guó)內(nèi)首個(gè)全球多尺度嵌套的、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大氣復(fù)合污染傳輸模式，將區(qū)域大氣污染模擬分辨率提升至全國(guó)平均3公里、中東部1公里。

在“寰”建成之前，美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)建有軟、硬件結(jié)合的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置，并以此掌握著全球氣候變化特別是全球變暖減緩、控制措施等方面的話語(yǔ)權(quán)。“寰”的建成，不僅使我國(guó)成為近20年來(lái)唯一有能力發(fā)展自己的地球系統(tǒng)模式的發(fā)展中國(guó)家，還使我國(guó)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(dòng)地位。正如曾慶存在“寰”試運(yùn)行啟動(dòng)儀式上的發(fā)言所說(shuō)，我們要用自己的計(jì)算數(shù)據(jù)作為氣候與環(huán)境領(lǐng)域的談判依據(jù)，提升我國(guó)的國(guó)際話語(yǔ)權(quán)。

把地球系統(tǒng)“搬進(jìn)”實(shí)驗(yàn)室、打造地球的“孿生兄弟”，作為我國(guó)首個(gè)建成的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置，“寰”推動(dòng)了地球系統(tǒng)科學(xué)不同學(xué)科之間的交叉與融合，促進(jìn)我國(guó)地球系統(tǒng)科學(xué)整體向國(guó)際一流水平跨越，為我國(guó)地球科學(xué)研究提供了一種新的范式。

（作者單位：中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所）