地球系统数值模拟装置进展与前瞻（地球实验室EarthLab）

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原创  张贺  气象学报英文版JMR  2025年07月17日

01 摘要

问题：如何深刻理解地球环境复杂系统的运行规律，探索地球系统物理、化学和生物过程，以及各圈层相互作用对地球系统整体和我国区域环境的影响，提高气候环境预测精细度与准确率，推动地球系统科学不同学科之间的交叉融合，是我国应对气候变化、开展防灾减灾救灾、增强国际话语权与核心竞争力等方面的重大挑战与迫切需求。

解决方案：聚焦我国“十二五”重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”（简称“寰”），重点介绍了其构成与功能、取得的主要成果及未来展望。“寰”采用软硬件协同设计，实现了核心软硬件的国产化，主体结构包括五大系统，核心技术指标达到国际先进水平，为集聚和引领我国地球系统科学前沿交叉研究与应用提供重要平台。

成效：自2021年试运行以来，“寰”在地球系统模式研发、区域环境模拟溯源、气候预测与海洋监测预测等领域取得了一系列原创性成果。例如，核心模式软件中国科学院地球系统模式CAS-ESM2.0已对外开源，并参加了多项国际大科学计划，整体性能处于国际前列；研发了集多污染类型和多尺度为一体的新一代公里级大气环境溯源预报系统，可精准预报预判空气质量；建成了基于“寰”的短期气候预测平台，在全国气候趋势预测会商中稳居前列，预测效果稳步提升。

结论：“寰”的建设与运行，为地球科学范式变革、交叉领域原始创新等提供重要示范与关键支撑，推动了我国地球系统科学向国际一流水平迈进，未来将在集成研发、多学科融合、服务国家需求和人才培养等方面发挥更大作用。

02 关键词

地球系统数值模拟装置，地球系统模式，国家重大科技基础设施，气候环境预测

03 文章梗概与亮点

背景：地球系统模拟是深入认知地球系统规律、提高气候预测准确性、促进学科交叉融合等的关键工具。我国曾因自主超级计算机计算性能不足、跨学科研发团队缺乏等原因，导致气候/地球系统模式的发展滞后国际先进水平约10年。“寰”的建成，突破了“模式-硬件-数据”协同瓶颈，实现了大模型、大数据、大计算的集成，使我国在地球系统模拟能力上跻身世界前列。

构成：“寰”采用软硬件协同设计，由国内地学、计算科学等领域的科研、业务单位和企业共同研制，实现了核心软硬件的国产化，其主体结构包括五大系统：地球系统模式数值模拟系统、区域高精度环境模拟系统两个应用系统，以及超级模拟支撑与管理系统、支撑数据库和资料同化及可视化系统、面向地球科学的高性能计算系统三个支撑系统。

技术指标：地球系统模式数值模拟系统水平分辨率达到10—25 km；区域高精度环境模拟系统全国水平分辨率3 km，重点区域水平分辨率达到1 km；面向地球科学的高性能计算系统峰值计算能力不低于15 PFlops，存储量不低于80 PB。

成果：“寰”团队在地球系统模式研发、区域环境模拟溯源、气候预测与海洋监测预测等领域，取得了一系列原创性成果，为应对气候变化、大气环境治理、国家防灾减灾等重大问题提供了关键依据与支撑。具体包括：
（1）CAS-ESM2.0源代码及数据开放共享，参加了第六次国际耦合模式比较计划CMIP6，其多项关键指标（热带风场、ENSO、各气候区划的综合能力指数、印太暖池扩张速率等）的模拟能力达到国际先进水平。此外，CAS-ESM2.0实现了海、陆碳循环与大气CO2浓度之间的双向耦合，能够合理模拟出大气CO2浓度的历史增加趋势和季节变化。
（2）研发了集多污染类型和多尺度为一体的新一代公里级大气环境溯源预报系统，具备季节尺度（未来3个月）空气质量变化趋势预测以及未来7天空气质量预报与污染溯源能力，溯源精度到工厂级，预报精度为全国3 km和1 h，中东部地区达到1 km和1 h，大气环境容载量和减污降碳量的核算精度达城市级和周分辨率。该系统已为2022年北京冬奥会、2023年杭州亚运会等重大活动空气质量保障的精准应对提供了重要的技术支撑。
（3）依托多项自研技术，发展多模式集成预测方法，建立了基于“寰”的短期气候预测平台，包括ENSO预测系统、大气环流模式、海气耦合模式等9个数值模式，以及2个动力-统计方法和4个统计模型。该预测系统对2022年全国汛期降水预测在国家气候中心预测会商中获得了PS评分81分、空间距平相关系数0.53的佳绩。
（4）建成全球海洋环境预报系统，实现了全球最高5 km分辨率海洋精细化模拟和预报，海洋延伸期预报时效提升至30天。建立了国际首个全球1 km性能可移植的海洋环流模式（LICOMK++），实现了全球1 km分辨率和和全海深真实海洋环流模拟, 并入围2024年度国际高性能计算应用领域最高奖戈登贝尔奖（全球3个之一）。

附加信息→“寰”作为实现国家重大科学技术目标的大型公共基础设施，已面向科研机构、高校、行业部门和企业等创新主体开放共享，共享包括软件（开发、分析）、硬件（利用）和数据（使用、上传）等三种方式，均可通过远程登录获取，方便全球用户使用。截至2024年10月，“寰”已为国内外85家单位提供模式、数据和计算等服务，支撑用户完成了450余项研究课题，累计提供机时达5.6亿核时。

04 思维导图

略

05 文章主要图表

图1. “寰” 主体结构示意图

图2. “寰” 五个系统之间的关系示意图

图3. 地球系统模式软件平台示意图

图4. 区域高精度环境模拟系统示意图

06 论文全文

略

论文作者：
张 贺 | 中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟科学中心 | 中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟与应用重点实验室 | 中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心 | 中国科学院大学地球与行星科学学院
马洁琼 | 中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心
柴兆阳 | 中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟科学中心 | 中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟与应用重点实验室 | 中国科学院大学地球与行星科学学院
张木兰 | 中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟科学中心
曹美春* | 中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟科学中心 | mcao@mail.iap.ac.cn

论文信息
Zhang, H., J. Q. Ma, Z. Y. Chai, M. L. Zhang, and M. C. Cao, 2025: Progress and Prospects of the Earth System Numerical Simulation Facility (EarthLab). J. Meteor. Res., 39(3), 517–533, https://doi.org/10.1007/s13351-025-4912-9 .