把地球搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室

張璐

2021年6月23日，國(guó)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）在北京懷柔科學(xué)城東區(qū)落成啟用，這是我國(guó)首個(gè)研制成功的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬大科學(xué)裝置。

“寰”是我國(guó)首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，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。2018 年經(jīng)國(guó)家發(fā)改委批復(fù)，項(xiàng)目全面開(kāi)工建設(shè)，其核心軟件是中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所自主研發(fā)的地球系統(tǒng)模式，集成耦合了包含大氣、海洋、陸面、植被生態(tài)、大氣化學(xué)、海洋生化、陸地生化在內(nèi)的7 個(gè)分系統(tǒng)模式，能夠模擬大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈、生物圈的演變規(guī)律，對(duì)地球的過(guò)去進(jìn)行反演、對(duì)現(xiàn)在進(jìn)行觀察、對(duì)未來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。這套軟件一天可以計(jì)算出地球的大氣圈、水圈、巖土圈、生物圈等多個(gè)圈層10 年左右的變化。

在位于北京密云區(qū)的懷柔科學(xué)城東區(qū)，“寰”地球模擬實(shí)驗(yàn)室的科普展廳已經(jīng)開(kāi)放。展廳中懸掛著直徑3米、清晰度達(dá)到5K 的LED 球形屏，裝置模擬實(shí)驗(yàn)的部分結(jié)果會(huì)通過(guò)球體進(jìn)行可視化直觀展示。裝置還可以模擬出不同時(shí)期天氣氣候、海洋環(huán)境、大氣環(huán)境、極地海冰、植被生態(tài)的情況，時(shí)間跨度達(dá)到數(shù)百年。

“寰”的計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)“硅立方”也已正式亮相?！肮枇⒎健笔且粋€(gè)大型機(jī)房，2—4層的超級(jí)計(jì)算機(jī)，一層為存貯裝置。以往的超級(jí)計(jì)算機(jī)都是一層平鋪的，這個(gè)是垂直放置的，所以叫硅立方。如此一來(lái)不僅占地面積小，最遠(yuǎn)的兩個(gè)機(jī)柜之間的距離也小，數(shù)據(jù)傳輸就會(huì)更快。寰的建成將服務(wù)于應(yīng)對(duì)氣候變化、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、雙碳愿景目標(biāo)、防災(zāi)減災(zāi)（如天氣預(yù)報(bào)）等國(guó)家重大需求，為國(guó)際氣候與環(huán)境談判提供有力的科學(xué)支撐。

地球科學(xué)為何要用上數(shù)值模擬？

20世紀(jì)60年代，國(guó)際科學(xué)界提出地球科學(xué)應(yīng)該怎樣發(fā)展的問(wèn)題。當(dāng)時(shí)世界上有兩種科學(xué)研究方法，一種是理論探討，即理論分析、邏輯推算，理論分析需要實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證，驗(yàn)證正確了才是可靠的理論;另一種是實(shí)驗(yàn)分析。

但對(duì)地球科學(xué)，做實(shí)驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的。做實(shí)驗(yàn)有很多詳細(xì)條件，例如需要保證實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和真實(shí)環(huán)境一致。要做關(guān)于地球的實(shí)驗(yàn)，需要滿足的條件太多，沒(méi)辦法做到全部符合。此外，做實(shí)驗(yàn)有時(shí)候要破壞一個(gè)“環(huán)境”，像生物科學(xué)可通過(guò)解剖來(lái)實(shí)現(xiàn)，但對(duì)全地球卻沒(méi)法開(kāi)展類似實(shí)驗(yàn)，因?yàn)榈厍颦h(huán)境不容破壞。

當(dāng)時(shí)正值電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，于是國(guó)際上提出了第3種科學(xué)研究的辦法，叫數(shù)值模擬，或稱數(shù)值試驗(yàn)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這一方法就是提出一個(gè)理論后，要驗(yàn)證這個(gè)理論對(duì)不對(duì)，就需要建立數(shù)學(xué)模型并利用電子計(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)做模擬實(shí)驗(yàn)。

地球系統(tǒng)模式軟件是復(fù)雜的巨系統(tǒng)模型，需要多學(xué)科緊密聯(lián)系，這是大氣科學(xué)、計(jì)算科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)融合的一個(gè)典型。

地球系統(tǒng)模擬裝置是如何工作的？

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(wàn)物，可以簡(jiǎn)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(lái)，人們?cè)诟惺苤鱾€(gè)圈層中物候變化的同時(shí)，也在對(duì)自然界的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

基于科學(xué)的進(jìn)步，科研人員已經(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(lái)。進(jìn)一步將這些數(shù)理方程編寫(xiě)成計(jì)算機(jī)代碼，就得到了對(duì)應(yīng)于各個(gè)圈層的代碼集合，也就是常說(shuō)的“模式”。例如大氣模式本質(zhì)上就是大氣運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)方程、熱力學(xué)能量方程的代碼集合。

科技人員首先構(gòu)建起描述單個(gè)圈層的模式，再通過(guò)“耦合器”將各個(gè)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(gè)龐大工廠的交換車(chē)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(lái)，在最大程度上模擬出自然界的演變過(guò)程。

得到了數(shù)字化的“地球”后，輸入某一時(shí)刻的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)值計(jì)算，科研人員就能夠推演地球不同圈層的變化，由此重現(xiàn)地球的過(guò)去、模擬地球的現(xiàn)在、預(yù)測(cè)地球的未來(lái)，從而進(jìn)行有針對(duì)性的“地球試驗(yàn)”。

“寰”如何預(yù)警極端天氣、助力防災(zāi)減災(zāi)？

在全球變暖的氣候背景下，過(guò)去30年間有關(guān)極端天氣事件及其對(duì)人類生活影響的報(bào)道不斷增加，這些事件包括強(qiáng)臺(tái)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千米，時(shí)間尺度在幾小時(shí)內(nèi)。要想準(zhǔn)確捕捉這些天氣過(guò)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(jì)算量。

配備高性能計(jì)算機(jī)硬件的“寰”建成后，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(cè)信號(hào)，以提高我國(guó)防災(zāi)預(yù)警水平、增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)能力。

全球尺度的模擬實(shí)驗(yàn)，是一項(xiàng)具有寬廣時(shí)間尺度的超級(jí)計(jì)算工程?！板尽辈捎玫膰?guó)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。其1分鐘的算力相當(dāng)于全球72億人同時(shí)用計(jì)算器不間斷計(jì)算4年。

“硅立方”數(shù)據(jù)庫(kù)擁有80PB的存儲(chǔ)空間，可以裝下約13個(gè)國(guó)家圖書(shū)館的館藏?cái)?shù)據(jù)，用來(lái)保存各個(gè)圈層的觀測(cè)及模擬資料。

“寰”如何為碳中和提供支撐？

自19世紀(jì)末以來(lái)， 地球的平均地表溫度上升了約1.18℃，大多數(shù)變暖過(guò)程發(fā)生在過(guò)去40年里，其中2016年和2020年是有記錄以來(lái)最熱的兩年。全球溫度的升高意味著人類將面臨更多極端災(zāi)害天氣：極端熱浪、極端干旱、極端強(qiáng)對(duì)流天氣以及更為猛烈的臺(tái)風(fēng)襲擊等。

2015年，《巴黎協(xié)定》提出讓所有國(guó)家共同致力于實(shí)現(xiàn)相同的長(zhǎng)期目標(biāo)：加強(qiáng)對(duì)氣候變化所產(chǎn)生的威脅做出全球性回應(yīng)，到21世紀(jì)末，將全球平均溫升保持在相對(duì)于工業(yè)化前水平2℃以內(nèi)，并為全球平均溫升控制在1.5℃以內(nèi)付出努力。

無(wú)論是1.5℃還是2℃溫升目標(biāo)，均是基于全球先進(jìn)的地球模擬實(shí)驗(yàn)室計(jì)算出來(lái)的——將模擬的“地球”放進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(gè)合適的溫升目標(biāo)。這涉及對(duì)全球碳源匯收支的科學(xué)評(píng)估，對(duì)碳氮循環(huán)過(guò)程、生物地球化學(xué)過(guò)程的全球尺度模擬，是一項(xiàng)具有寬廣時(shí)間尺度的超級(jí)計(jì)算工程。

我國(guó)承諾，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。“寰”具有過(guò)程完善的地球系統(tǒng)模式以及面向地球科學(xué)的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的數(shù)值模擬計(jì)算，以應(yīng)對(duì)寬廣時(shí)空尺度上的氣候系統(tǒng)的非線性計(jì)算。

“寰”能夠更全面地考慮地球系統(tǒng)的各個(gè)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(guò)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)- 氣溫-二氧化碳濃度-碳排放量”的清晰關(guān)系，對(duì)溫室氣體核算、未來(lái)升溫預(yù)估提供有力的模擬支撐。

比如陸地系統(tǒng)作為全球最重要的碳匯之一，其作用在制定“碳中和”決策中不可忽視?！板尽笔褂玫男掳嫒蛑脖粍?dòng)力學(xué)模式能對(duì)全球植被分布和碳通量進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，從而更準(zhǔn)確地把握陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng)和反饋。

因此，“寰”的建成和使用將為我國(guó)制定“碳中和”決策和實(shí)現(xiàn)“1.5℃溫升目標(biāo)”提供強(qiáng)有力的科技支撐。

“寰”如何應(yīng)對(duì)污染？

“寰”這個(gè)“地球模擬實(shí)驗(yàn)室”內(nèi)有區(qū)域高精度大氣污染模式分系統(tǒng)，該分系統(tǒng)擁有國(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。

它能夠模擬大氣中化學(xué)成分的排放、擴(kuò)散、對(duì)流、化學(xué)轉(zhuǎn)化、干濕沉降等過(guò)程，模擬臭氧、氮氧化物等5種氣體和沙塵、海鹽、硫酸鹽、硝酸鹽、黑碳、有機(jī)碳等氣溶膠成分的時(shí)空變化?！板尽蹦軌?yàn)樯硥m暴、臭氧、酸雨、灰霾、重金屬沉降等大氣環(huán)境污染研究保駕護(hù)航，進(jìn)行空氣污染預(yù)報(bào)預(yù)警、評(píng)估污染調(diào)控，并進(jìn)一步探究氣候- 污染排放- 區(qū)域空氣質(zhì)量相互作用。

它還采用全球多尺度嵌套，空間分辨率跨度從幾百千米到幾千米，同時(shí)具備重金屬模擬能力、耦合源識(shí)別與追蹤技術(shù)等特點(diǎn)，能夠做好污染物“溯源”分析。“寰”模擬的中國(guó)區(qū)域的空間分辨率提升到了3千米，高分辨率模擬融合觀測(cè)數(shù)據(jù)，能夠大大地提高我國(guó)大氣污染預(yù)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性。

目前其他國(guó)家是否有地球模擬裝置？

“寰”處于什么水平？

一些發(fā)達(dá)國(guó)家已建成專門(mén)的地球模擬裝置，從而在全球氣候和環(huán)境變化問(wèn)題的外交談判中占據(jù)主導(dǎo)地位。美國(guó)地球模擬器Cheyenne（夏延）主導(dǎo)IPCC氣候變化預(yù)估試驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)等，長(zhǎng)期世界領(lǐng)先;日本地球模擬器京K 推動(dòng)日本地球模擬水平從世界中等水平進(jìn)入世界前列;歐盟正在投資10億歐元建設(shè)“活地球模擬器”。

“我們要用自己的計(jì)算數(shù)據(jù)作為氣候與環(huán)境領(lǐng)域談判的依據(jù)，提升我國(guó)的國(guó)際話語(yǔ)權(quán)?！眹?guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)得主、中國(guó)科學(xué)院院士曾慶存說(shuō)。如今，我國(guó)面向地球系統(tǒng)專用數(shù)值模擬裝置的建成將有利于扭轉(zhuǎn)這一局面。

我國(guó)地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置的大氣模式水平分辨率（實(shí)為網(wǎng)格距）可達(dá)25千米，海洋模式可達(dá)10千米，能夠達(dá)到世界先進(jìn)水平。

“寰”建設(shè)過(guò)程中有何挑戰(zhàn)和突破？

據(jù)中科院大氣物理所研究員朱江介紹，“寰”的建設(shè)突破了一系列難題，提前一年半落成啟用，實(shí)現(xiàn)“早建成、早服務(wù)”。

當(dāng)時(shí)初步設(shè)計(jì)方案中采用英特爾處理器，在得知我國(guó)國(guó)產(chǎn)芯片取得重大進(jìn)展后，為了應(yīng)對(duì)潛在的卡脖子風(fēng)險(xiǎn)，建設(shè)單位的科技人員在3個(gè)月內(nèi)對(duì)國(guó)產(chǎn)芯片進(jìn)行了密集測(cè)試，在兼容性、計(jì)算效率等一系列方面取得突破，果斷決策，采用了國(guó)產(chǎn)芯片的技術(shù)方案。

“國(guó)產(chǎn)芯片自主可控，同時(shí)也需要不斷優(yōu)化，當(dāng)時(shí)我們沒(méi)日沒(méi)夜進(jìn)行了大量測(cè)試。”他說(shuō)，采用國(guó)產(chǎn)芯片避免了因?yàn)榭ú弊訂?wèn)題導(dǎo)致的裝置建設(shè)延期等嚴(yán)重后果。

大氣所研究員周廣慶稱，“寰”的軟件本質(zhì)是用計(jì)算機(jī)求解最復(fù)雜的方程，科研人員在軟件并行計(jì)算上也做了大量工作，為此科學(xué)家付出了極大的辛勞。

“寰”未來(lái)有何計(jì)劃？

據(jù)中科院大氣物理所介紹，“寰”預(yù)計(jì)2022年通過(guò)驗(yàn)收后正式建成，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放共享與服務(wù)。作為懷柔科學(xué)城北京國(guó)家綜合科學(xué)中心首個(gè)落成的大科學(xué)裝置，將在原始創(chuàng)新、人才匯聚等方面充分發(fā)揮作用，推動(dòng)北京市氣象信息產(chǎn)業(yè)園的建設(shè)。

大氣物理所研究員周廣慶介紹，目前這一裝置更集中在地球表面圈層的研究，因?yàn)槿祟惿钤诘厍虮砻?。未?lái)將耦合更多分系統(tǒng)，研究“入地上天”的深層地球，會(huì)把地幔熱力過(guò)程、大陸板塊漂移、地震、臨近空間大氣等系統(tǒng)考慮進(jìn)來(lái)。