【腾讯新闻热问】在超算里“复刻”一颗地球，“地球系统数值模拟装置”是如何做到的？

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【腾讯新闻热问】
在超算里“复刻”一颗地球，我国“地球系统数值模拟装置”是如何做到的？取得了哪些重要成果？
近年来，科学研究范式正从“小作坊”模式迈向“大科学”工程。在此浪潮中，中国一批科学重器蓬勃涌现：JF-22 超高速风洞、九章光量子计算机、人造太阳（中国环流三号）以及脉冲强磁场实验装置等等。这些大科学装置合力拓展人类认知边界。腾讯新闻推出《20问中国20大科学重器》（第二季）大型系列策划，近20位科学家给出从量子计算到未来能源的权威解读。

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我是中国科学院大气物理研究所科研工程人员曹美春，从事“地球系统数值模拟装置”模式研发及应用的相关工作。

地球系统数值模拟装置（简称“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。它像一台“地球时光机”，通过在专用超级计算机上运行一套地球系统模式（模型），用以计算出地球表层五大圈层（大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈）的运动变化规律，进而对地球的过去进行反演、对现在进行观察，对未来进行预测。

“寰”，意为广大的地域，也暗含寰宇天下之意。这个充满诗意的简称，是向广大网友征集而来的，它也体现了科学家们对于这座大科学装置的期许。“寰”坐落在北京怀柔科学城东区，于2018年11月启动建设，2022年10月通过国家验收，是怀柔综合性国家科学中心首个正式运行的大科学装置。

把地球“搬”进实验室

气象学上有一个著名的“蝴蝶效应”，是已故麻省理工学院著名数学家、气象学家和混沌理论先驱爱德华·洛伦兹提出的。其大意为：一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可能在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。蝴蝶效应表明，在一个复杂系统的状态上出现的微小变化，可以在不久之后导致剧烈的变化。

地球作为太阳系中唯一一颗诞生了生命的星球，本身就是一个物质与能量不断相互作用下的非常复杂的非线性系统。它可以被划分为几个基本的圈层，各圈层之间彼此交错、连锁响应，圈层之间及内部随时间的相互作用构成了地球的演化。地球系统就是我们“地球系统数值模拟装置”的核心研究对象。

那怎么对地球系统开展研究呢？我们知道，生物科学可以做解剖实验，但对地球系统不可能做类似的实验，因为地球是人类赖以生存的唯一家园，其环境不容破坏。对于地球系统科学而言，只能做模拟，即用模式（模型）来做实验，这一方法也被科学家们比喻为把地球“搬”进实验室。

“寰”是如何构成的？

由于研究对象与方法的特殊性，“寰”是我国目前少有的以软件为核心、软硬件一体的大科学装置。“寰”主体包括了5个系统，它们之间构成一个“三明治”式的结构，分别对应模式层、支撑层和硬件层。

“寰”的顶层是模式层，也是“寰”的超级大脑，它对应两个数值模拟系统：一个是放眼全球的地球系统模式数值模拟系统，一个是聚焦中国及周边地区的区域高精度环境模拟系统。地球系统模式数值模拟系统的核心软件就是中国科学院大气物理研究所经过长期攻关、自主研发的中国科学院地球系统模式CAS-ESM，其主要功能是模拟地球各圈层间相互作用过程，包括大气、海洋、陆地、冰雪、植被，以及循环期间的生物地球化学过程等，是一个可供反复实验的“数字孪生地球”。区域高精度环境模拟系统则是一套“定制”软件，主要面向我国及周边地区天气预报、大气污染预报预警、农业干旱预测以及气候风险预估等关键区域环境问题，形成对主要环境要素（气候、天气、大气污染、农业旱灾）的区域高精度模拟能力。

“寰”的底层是硬件层，是“寰”的强劲心脏，对应一套专为“寰”研制的面向地球科学的高性能计算系统。它采用了独特的计算分区设计，与通用超算相比，具备“高效、节能、环保”等优点。系统峰值计算能力为15.9PFlops，即每秒可进行15.9千万亿次浮点运算——其计算1分钟，等同于全球76亿人同时用计算器不间断地计算4年。同时，超算系统“肚量惊人”，总存储空间达到126PB。这是什么概念呢？1PB等于1024TB，一部高清电影大概2GB，126PB相当于约6300万部高清电影，按照每部平均时长1.5小时计算，可以连续播放114年不重复。

“夹”在中间的，是由两个系统组成的支撑层，一个是超级模拟支撑与管理系统，它主要给模式层提供软件支撑；另一个是支撑数据库和资料同化及可视化系统，它的主要功能是数据库与显示层。

“寰”能做什么？取得了哪些成果？

借助海量数据资源和强大算法算力，“寰”可以更加逼真地实现对大气、海洋、陆面、冰雪、植被等的仿真研究，显著提升全球气象和海洋状况预报及灾害预警预报能力，使我国应对气候变化和防灾减灾救灾水平跃升到新高度。同时，“寰”也在服务碳达峰碳中和、美丽中国建设等国家战略方面发挥了举足轻重的作用。

1、应对气候变化

研究表明，全球气候在过去一个多世纪中显著变暖，并对地球生态和环境产生了深远的影响。“寰”核心软件CAS-ESM具备“全科会诊”的超能力，通过将地球各圈层作为一个相互耦合的整体，在统一框架下对大气、海洋、陆地、冰雪、植被等的动态变化进行综合模拟，进而预测未来气温变化、海平面上升、冰盖消融、碳循环等环境要素的演化及变异，为制定相应的政策提供科学依据。

作为我国首个具有自主知识产权的“完整”地球系统模式，CAS-ESM2.0约270万行源代码及相关数据于2023年11月全面对外发布，外界评价这一举措标志着中国地球系统模式的发展步入协同开发、合作共赢的新阶段。该成果入选了“2023年度中国十大气象科技进展”。

“完整”地球系统模式CAS-ESM2.0示意图

2、支撑碳达峰碳中和战略

为遏制全球气候变暖的趋势，我国于2020年提出了“碳达峰”和“碳中和”战略目标，其中二氧化碳（CO2）和甲烷减排是实现这一目标的重中之重。“寰”科研团队通过将同时考虑了野火和植被演变的自主全球植被动力学模式、海洋生物地球化学模型等耦合进入CAS-ESM，成功实现大气CO2的全耦合模拟，合理地“复现”了大气CO2的历史增加趋势和季节变化，为更精准、全面地研究碳循环与气候相互作用、碳中和最优路径选取等提供关键科学支撑。

去年，基于CAS-ESM湿地和稻田甲烷（CH4）模型，“寰”科研团队又构建了具有自主知识产权的CH4排放模拟技术体系，填补了中国在该领域的研究空白。该成果被纳入《联合国气候变化框架公约》官方报告，并作为核心算法支撑“中国温室气体收支数据库”建设，成为国家地球系统模拟能力的重要组成部分。

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（接上篇）

3、助力防灾减灾救灾

在全球变暖大背景下，各类自然灾害交织发生、影响叠加，其中与气象直接相关的灾害占70%以上。开展气候预测，有利于及早采取应对和防范措施，最大限度减轻伤亡和财产损失。

自2022年以来，中国科学院大气物理研究所气候预测团队整合动力模式、统计方法及人工智能等多项自研技术，建立了“寰”短期气候预测平台，并持续开展汛期（6—8月）降水、高温热浪、旱涝急转、冬季气温等关键要素的模拟分析与预测研究。团队每年都参与国家汛期和冬春季气候趋势会商，形成预测意见并报送中国气象局、水利部等国家部门。

4、服务美丽中国建设

2012年，PM2.5首次纳入《环境空气质量标准》，此后我国成为全球空气质量改善速度最快的国家，细颗粒物（PM2.5）、酸雨、二氧化硫等污染得到有效控制，这背后就有“寰”自主空气质量模式的“神助力”。

2024年11月，“寰”科研团队在20多年研发嵌套网格空气质量预报模式NAQPMS的经验之上，联合国内多家科研机构，开源发布了适用于大气复合污染的新一代空气质量模式——排放与大气过程集成耦合模式EPICC-Model。EPICC-Model支持“沙尘暴—酸雨—臭氧—PM2.5”多污染类型的协同模拟，成功使PM2.5及其组分模拟准确度提升40%以上，重点地区臭氧8小时模拟误差控制在20%以内。该成果入选了“2024年度中国生态环境十大科技进展”。

推动科研范式变革，助力人与自然和谐共生

除了为重大科技前沿与国家战略需求提供支撑，“寰”也面向科研机构、高校、行业部门和企业等创新主体开放共享，用户覆盖全球6大洲14个国家。“寰”既是一个能整合数值模式、高性能计算、数据同化、人工智能和数字孪生等先进技术、推动观测分析和理论建模发展的科研平台，也是一个做好环境安全保障、服务经济社会建设与民生福祉的基础应用平台。

当前，人工智能正在以前所未有的速度实现技术进化，“寰”的两个数值模拟系统也已开始结合引入数据—知识双向驱动的人工智能。未来，“寰”还将向更完备的多圈层耦合模拟、更高精度的自然-社会系统仿真，以及更精确的环境演变预报预测方面迈进，助力我们在实现人与自然和谐共生的愿景上走得更远！

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