地球的“數(shù)字孿生兄弟”

曹美春

在漫漫歷史長河中，地球氣候一直都處于冷暖干濕相互交替、變化周期長短不一的波動變化中。然而，自第一次工業(yè)革命（18世紀60年代～19世紀中期）以來，隨著二氧化碳等溫室氣體的大量排放，這種波動變化被打破了，地球氣候呈現(xiàn)出了以變暖為主要特征的系統(tǒng)性變化，即全球變暖。

大量證據(jù)表明，全球變暖通過直接或間接的形式，對自然和人類產(chǎn)生了廣泛的不利影響和相關(guān)損失與損害。人們不禁要問，氣候為何變暖？氣候變暖如何適應(yīng)？未來，全球變暖可能暫停嗎？在這樣的背景下，地球的“數(shù)字孿生兄弟”、國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置——“寰”（huán），應(yīng)運而生。

把地球“搬”進實驗室

“寰”是用于模擬地球生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的一種裝置，也被稱為地球的“數(shù)字孿生兄弟”。它以觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用數(shù)學建模，對地球表面各圈層（大氣圈、水圈、冰凍圈、生物圈、巖石圈）的物理、化學和生命過程及其演化規(guī)律進行描述，并在超級計算機上開展大規(guī)?？茖W計算，由此再現(xiàn)各個圈層過去和現(xiàn)在的演變，并預(yù)測其未來。

“寰”把“數(shù)字版”的地球“搬”進實驗室，觀察由不同情景造成的氣候變暖時，地球系統(tǒng)是如何響應(yīng)的、各圈層間又是如何相互作用的。

“寰”主體包括5個系統(tǒng)，它們之間組成了一個“三明治”式的結(jié)構(gòu)。

如圖所示，“寰”的頂層是模式層，對應(yīng)兩個數(shù)值模擬系統(tǒng)，一個是放眼全球的地球系統(tǒng)模式數(shù)值模擬系統(tǒng)，一個是聚焦中國的區(qū)域高精度環(huán)境模擬系統(tǒng)。

“寰”的底層是硬件層，對應(yīng)一個專門面向地球科學的高性能計算系統(tǒng)。

“夾”在中間的，是由兩個系統(tǒng)構(gòu)成的支撐層，一個是超級模擬支撐與管理系統(tǒng)，它主要給模式層提供軟件支撐；另一個是支撐數(shù)據(jù)庫和資料同化及可視化系統(tǒng)，它的功能是數(shù)據(jù)庫與顯示層。

軟硬件協(xié)同設(shè)計

“寰”原氣候變化

“獨立自主”是“寰”最值得驕傲的特質(zhì)，其軟硬件的自主化率超過了90%，核心軟件為中國首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“完整”地球系統(tǒng)模式CAS-ESM2.0。如圖所示，CAS-ESM2.0由大氣環(huán)流、海洋環(huán)流、海冰、陸面過程、植被動力學、氣溶膠和大氣化學、陸地生化和海洋生化共8個模式組成，并通過耦（ǒu）合器（存在于軟件中，起到模式間交互、鏈接等作用）來實現(xiàn)圈層間的物質(zhì)、能量等交換。在不遠的未來，CAS-ESM還將把“觸角”延伸到臨近空間、固體地球與大陸冰蓋等領(lǐng)域。

“寰”的另一個軟件——區(qū)域高精度環(huán)境模擬系統(tǒng)，為中國獨創(chuàng)，主要針對中國天氣預(yù)報、大氣污染預(yù)報預(yù)警、農(nóng)業(yè)干旱預(yù)測以及氣候風險預(yù)估等區(qū)域環(huán)境問題，形成對中國氣候、天氣、大氣污染、農(nóng)業(yè)旱災(zāi)等的精確模擬能力。

“寰”的核心硬件——面向地球科學的高性能計算系統(tǒng)，被喻為中國地球系統(tǒng)科學領(lǐng)域培養(yǎng)的“特種兵”。它采用獨特的計算分區(qū)設(shè)計，峰值計算能力達15.9PFlops（每秒所執(zhí)行的浮點運算次數(shù)，1PF=1015次/秒的浮點運算），其1分鐘的算力相當于全球76億人同時用計算器不間斷地計算4年。這位“特種兵”也“肚量驚人”，提供了126PB（1PB=1024TB）的總存儲空間，約為20個國家圖書館的館藏數(shù)據(jù)，可保存地球表面各圈層的海量觀測及模擬資料。

?“寰”的5個系統(tǒng)示意圖

“寰”力應(yīng)對氣候變化

“寰”能夠?qū)ΜF(xiàn)實中的地球進行更準確的描述，不僅“顧全大局”，也“注重細節(jié)”，是地球科學研究的一大利器。

助力達成“雙碳”目標

2015年聯(lián)合國氣候變化大會上，近200個國家一致同意通過《巴黎協(xié)定》，承諾將全球氣溫升幅控制在工業(yè)革命前水平2攝氏度之內(nèi)，并努力將氣溫升幅限制在1.5攝氏度之內(nèi)。至此，碳減排成為全球共識。2020年9月，中國首次提出，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，即“雙碳”目標。

經(jīng)過研究人員不懈努力，“寰”在國內(nèi)率先解決了陸地、海洋碳循環(huán)與大氣二氧化碳雙向耦合（兩個系統(tǒng)之間的交互，一個系統(tǒng)的變化可以影響到另一個系統(tǒng)）難題，并首次實現(xiàn)了自主計算大氣二氧化碳濃度的時空趨勢。因此，無論是溫室氣體核算、未來溫升估計，還是海平面上升、冰凍圈變化對增暖的響應(yīng)，“寰”都可以精確推演，為實現(xiàn)“雙碳”目標提供科學支撐。

助力防災(zāi)減災(zāi)

2022年7～8月，中國南方地區(qū)受持續(xù)高溫“炙烤”，多地氣溫突破歷史極值，長江流域多條河系相繼斷流。今年8月，京津冀遭遇極端暴雨，北京記錄到140年來最大降雨量，受災(zāi)人數(shù)近900萬人。

?“完整”地球系統(tǒng)模式CAS-ESM2.0示意圖

開展氣候預(yù)測，有利于及早采取應(yīng)對和防范措施、降低災(zāi)害損失，這正是“寰”的一個“長板”所在。經(jīng)過研究人員長期實踐改進，“寰”構(gòu)建了國際第一梯隊的厄爾尼諾（赤道太平洋中東部海水溫度異常升高的現(xiàn)象）預(yù)測系統(tǒng)，以及具有堅實理論基礎(chǔ)的短期氣候預(yù)測系統(tǒng)。在2022年全國汛期降水預(yù)測中，提前、精準地對長江流域高溫干旱做出預(yù)警，并創(chuàng)下了歷史新高（81分）的預(yù)測評分。

助力美麗中國建設(shè)

近年來，隨著環(huán)境的治理和改善，細顆粒物、沙塵暴、酸雨、二氧化硫污染等得到有效控制，這背后就有“寰”的科技助力。

治理復(fù)雜的大氣污染問題，需對污染物進行準確模擬和預(yù)報預(yù)警，揭示污染的成因，從而采取針對性的防控措施?！板尽毖芯咳藛T構(gòu)建了中國首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大氣復(fù)合污染傳輸模式與公里級大氣環(huán)境預(yù)報溯源系統(tǒng)。它具備大氣污染物與二氧化碳一體化預(yù)報、溯源與調(diào)控等功能，高效支撐了空氣質(zhì)量保障、減污降碳協(xié)同治理、碳監(jiān)測評估等國家重大需求。

未來，氣候變化仍將是人類要共同面對的問題。“寰”通過數(shù)值模擬的方法，精準、全面地認識地球變化，研究氣候變化的機制與原因，并預(yù)測地球未來，為應(yīng)對全球氣候變化提供有力的科學依據(jù)。應(yīng)對氣候變化不僅需要科學助力，也需要每個人的參與，只有大家共同努力，才能實現(xiàn)人與自然和諧共生的美好愿景！

（責任編輯 / 高琳? 美術(shù)編輯 / 周游）