曹美春 于丽娟 张木兰

　　当前，由华夏科学院大度物理探讨所和清华大学一同建造的“地球体系数值模拟装置”顺利经过国度验收，正规开放运转。该装置位于怀柔科学城东部组团密云经济开发区，是国度重要科技根基设备名目。

　　这一大科学装置英文名为“Earthlab”，中文名为“寰”，将探讨地球体系的大度圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈的物理、化学、生物进程及其相互效用，探究上述相互效用对地球体系全体和我们国家地域环境的作用等，被造型地称为“把地球搬进实验室”。

　　地球体系数值模拟装置——“寰”在北京怀柔科学城东部组团经过验收。展厅中吊挂着直径3米、清楚度达到5K的LED球形屏，装置模拟实验的部分结果会经过球体发展可见化直观展现。

　　“地球体系数值模拟装置”的计算机硬件设施“硅立方”。

　　作用地球气候的五大圈层

　　本年夏天，我们国家多地气温打破本地历史记录，“高温天气”频频登上热搜。受极其高温和持续少雨的作用，长江流域显露了极端惨重的干旱，为61年来最强干旱。本年鄱阳湖提早映入枯水期，9月23日鄱阳湖星子站水位跌至7.10米，刷新鄱阳湖有纪录以来历史最低水位。经受高温“烤”验的远不止我们国家，全个北半球全在高温下“挣扎”。例如，印度最高气温一度飙升到了50℃，部分地域创下百余年来的最高气温记录。欧洲遭遇了500年以来最惨重的干旱，众多河流湖泊水位持续下调，甚而挨近干枯。

　　结合国政府间气候浮动专门委员会（IPCC）发表的《气候浮动2021：当然科学根基》汇报中称，全世界变暖假如不加以操控，往日50年一遇的极其高温，未来或每6年会显露一次，同一时间暴雨和干旱也将变得愈加频繁。地球未来的气候如何浮动，以及如何采用举措和方法下降气候变暖达到1.5℃阈值的几率，是日前全球列国面对的最紧迫的科学难题之一。

　　地球未来的气候如何浮动，这是一种多学科的难题，由于地球体系极为繁杂，它包涵了太阳辐射、大度能源学、地理、地质学、海洋环流、冰和生物圈之中错综繁杂的非线性相互效用。地球体系的概念，20世纪80年代由美国科学家提议，是指由地球当然圈层组成的体系，通常包括大度圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈这五大圈层，更广义的说法还包括地核、地幔等。

　　地球体系各圈层之中彼此交错、相互作用，组成了地球的演化，大度圈与其余圈层相互效用，又作用着地球的气候状况。五大圈层中，全部一种圈层的浮动，都可能引起一种地域甚而全世界的气候浮动。

　　那末，用甚么方法来探讨地球体系呢？

　　20世纪60年代，世界科学界曾提议地球科学应当怎么进行的难题。那时提议了两种科学探讨方法，一个是理论研究，另一个是实验剖析。理论研究自然是无难题的，然则关于地球科学，做实验赫然是不现实的。一方面，做实验有好多限定要求，如须要确保实验室环境和真正环境绝对，做对于地球的实验，没法子适合悉数要求；另一方面，做实验有时刻要破坏一种“环境”，咱们对地球没法展开相似实验，由于地球环境不容破坏。

　　用数值模拟预测天气气候

　　随着电子计算机的显露，世界上提议了第三种科学探讨的方法，称为“数值模拟”或“数值试验”。简言之，便是经过构建数学模子，应用电子计算机求解，把通过理论模子计算后的数值和实质对照，来声明理论预测是非是和实质的绝对。假如这种数学模子与实质相符，就可用以发展模拟试验。

　　上世纪60年代，华夏科学院大度物理探讨所的曾庆存（现为华夏科学院院士、国度最高科学技艺奖得到者、“寰”发起人之一）从单一的大度圈入手，进行了一种地域尺度且相对简单化的大度形式，能在小范畴内预报出短时间内的天气概况。在这项探讨中，曾庆存从剖析大度活动规则的本质入手，用不同的计算方法区别计算不同进程，提议了“半隐式差分法”，是全球上首个用原始方程干脆发展实质天气预报的方法。该算法于今还是全球数值天气预报焦点技艺的根基。

　　到了上世纪80年代，曾庆存带领团队设置了一套全世界尺度的大度环流形式，在此根基上，后人不停对其进级。上世纪90年代，曾庆存又和团队应用大度、海洋、陆面三个分体系模子，耦合成气候体系形式，这种形式在超等计算机上运行，实现了跨季度的气候预测，例如在冬末就可以预测来年夏天的洪水。

　　然则，要探讨长时间跨度的气候浮动难题，不行只应用大度、海洋、陆面模子，还须要将地球体系中对气候状况浮动有作用的环境、生态等进程都考量在内，并计算他们之中的相互效用，这就必需构建一种更繁杂的地球体系形式，也须要一种充足强盛的超等计算机。21世纪初，世界上的气候浮动探讨最初从气候体系模拟向地球体系模拟过渡，日本、美国、欧洲等国度和地域纷纷制订了地球体系形式探讨计划，并投入巨资发展进行。

　　用数字制出地球“孪生兄弟”

　　2005年，曾庆存初步提议了“地球体系形式”的设想。2007年，在一次地球体系形式研讨会上，曾庆存与科学家们讨论了地球体系形式如何利用到未来气候浮动探讨，获得中科院的高度重视。2011年，中科院向国度申报构建“地球体系数值模拟装置”。2013年，申报获国度批准。2018年，“地球体系数值模拟装置”在北京怀柔科学城东部组团密云经济开发区破土动工，正规映入建造实行阶段。2021年6月23日，“地球体系数值模拟装置”在北京怀柔科学城实现试运转，为建党百年、北京冬奥会和冬残奥会等重要运动提供气象和环境保证，取得了可以的成果。2022年10月17日，“地球体系数值模拟装置”经过国度验收，正规开放运转。

　　地球体系数值模拟装置——“寰”是我们国家研制成功的首个具备自助常识产权，以地球体系各圈层数值模拟软件为焦点，软、硬件目标相适应，范围及概括技艺水准位于全球前列的专用地球体系数值模拟装置。“独立自助”是“寰”最值得骄傲的“特点”（软、硬件的自助化率超越90%），它是首个具备我们国家自助常识产权的“完整”地球体系形式，采纳国产芯片，取得了我们国家大科学装置建造“自助可控”的突破。

　　作为一种软、硬件一体的大科学装置，“寰”包涵两个利用软件（地球体系形式数值模拟体系、地域高精度环境模拟体系）和两个支撑软件，实现了全世界高分辨率（大度24千米、海洋7.8千米）数值模拟、全中国1至3千米地域高精度环境模拟。“寰”的硬件设施“硅立方”，是专为“寰”研制的面向地球科学的高功能计算体系，采纳特异的计算分区设置，与通用超算比较，具有“高效、节能、环境保护”优点，其1分钟的算力差不多于全世界76亿人同一时间用计算器不间断计算4年，并提供了126PB的总存储体积，可行装下约20个国度图书馆的馆藏数据，保留着大度、海洋、陆地、生态等地球科学范畴内各个圈层的观测及模拟材料，可行说是为地球塑造了一种“孪生兄弟”。

　　“寰”的使命与未来

　　数值形式是“寰”的灵魂，“寰”的焦点形式软件便是大度所通过长久科研攻关、自助研发的地球体系形式CAS-ESM。除了惯例的大度环流、海洋环流、陆面进程等用于描画气候体系（温度、降水、海温、极其天气等）演变的分量形式，还加入了用于描画生态和环境浮动的分量形式，如植被演替，全世界碳重复，气溶胶的释放、生成和传输，海洋上层生态体系生长消亡等，另外还拓展了具备我们国家独创特点的模块，如日地体积环境形式、固体地球形式、大陆冰盖形式等。

　　“寰”不但有“大局观念”，可行预测全世界的气候浮动，关心全人类的命运，也同样注重“细节”。“寰”的另一种形式体系——地域高精度环境模拟体系，干脆面向我们国家天气预报、大度污染预报提前警告、农业干旱预测以及气候风险预估等要害地域环境难题，造成对我们国家最重要的环境因素（气候、天气、大度污染、农业旱灾）的高精度模拟能力。体系的地域高精度大度污染形式分体系，是国家内部首个全世界多尺度嵌套的、具备十足自助常识产权的大度复合污染传输形式，将地域大度污染模拟分辨率提高至全中国平均3千米、中东部1千米。

　　在“寰”建成此前，美国、日本、欧洲等国度和地域曾经建有软、硬件联合的地球体系数值模拟装置，并以此掌握着全世界气候浮动特别是全世界变暖延缓、操控举措等方面的话语权。“寰”的建成，不但使我们国家成为近20年来独一有能力进行本人的地球体系形式的进行华夏家，还使我们国家在地球模拟科学特别是在全世界气候浮动学术范畴没再处于被动位置。正如曾庆存留“寰”试运转发动仪式上的发言所说，咱们要用本人的计算数据作为气候与环境范畴的谈判根据，提高我们国家的世界话语权。

　　把地球体系“搬进”实验室、塑造地球的“孪生兄弟”，作为我们国家首个建成的地球体系数值模拟装置，“寰”推进了地球体系科学不同学科之中的交叉与合一，推进我们国家地球体系科学全体向世界一流水准跨越，为我们国家地球科学探讨提供了一个新的范式。

　　（作者单位：华夏科学院大度物理探讨所）