地球是怎樣執行的
北京日報客戶端 | 記者 王鴻良
日前，由中國科學院大氣物理研究所和清華大學共同建設的“地球系統數值模擬裝置”順利透過國家驗收，正式開放執行。該裝置位於懷柔科學城東部組團密雲經濟開發區，是國家重大科技基礎設施專案。
這一大科學裝置英文名為“Earthlab”，中文為“寰”，將研究地球系統的大氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈的物理、化學、生物過程及其相互作用，探究上述相互作用對地球系統整體和我國區域環境的影響等，被形象地稱為“把地球搬進實驗室”。我們邀請中國科學院大氣物理研究所參與此項工程的曹美春、於麗娟、張木蘭等人，為讀者介紹有關的科學內容。
地球系統數值模擬裝置——“寰”在北京懷柔科學城東區落成啟用。展廳中懸掛著直徑3米、清晰度達到5K的LED球形屏，裝置模擬實驗的部分結果會透過球體進行視覺化直觀展示。
“地球系統數值模擬裝置”的計算機硬體平臺“矽立方”。
（1）影響地球氣候的五大圈層
今年夏天，全國多地氣溫打破當地歷史紀錄，“高溫天氣”頻頻登上熱搜。受極端高溫和持續少雨的影響，長江流域出現了極其嚴重的乾旱，為61年來最強幹旱。今年鄱陽湖提前進入枯水期，9月23日鄱陽湖星子站水位跌至7。10米，重新整理鄱陽湖有記錄以來歷史最低水位。經受高溫“烤”驗的遠不止我國，整個北半球也都在高溫下“掙扎”。比如，印度最高氣溫一度飆升到了50℃，部分地區創下百餘年來的最高氣溫紀錄。歐洲遭遇了500年以來最嚴重的乾旱，許多河流湖泊水位持續下降，甚至接近乾涸。
聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）釋出的《氣候變化2021：自然科學基礎》報告中稱，全球變暖如果不加以控制，過去50年一遇的極端高溫，未來或每6年會出現一次，同時暴雨和乾旱也將變得更加頻繁。地球未來的氣候如何變化，以及如何採取措施和方法降低氣候變暖達到1。5℃閾值的機率，是目前世界各國面臨的最緊迫的科學問題之一。
地球未來的氣候如何變化，這是一個多學科的問題，因為地球系統極為複雜，它包含了太陽輻射、大氣動力學、地理、地質學、海洋環流、冰和生物圈之間錯綜複雜的非線性相互作用。地球系統的概念，20世紀80年代由美國科學家提出，是指由地球自然圈層構成的系統，一般包括大氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈這五大圈層，更廣義的說法還包括地核、地幔等。
地球系統各圈層之間彼此交錯、相互影響，構成了地球的演化，大氣圈與其它圈層相互作用，又影響著地球的氣候狀態。五大圈層中，任何一個圈層的變化，都可能引起一個地區甚至全球的氣候變化。
那麼，用什麼方法來研究地球系統呢？
20世紀60年代，國際科學界曾提出地球科學應該怎樣發展的問題。當時提出了兩種科學研究方法，一種是理論探討，另一種是實驗分析。理論探討當然是沒有問題的，然而對於地球科學，做實驗顯然是不現實的。一方面，做實驗有很多限定條件，如需要保證實驗室環境和真實環境一致，做關於地球的實驗，沒辦法符合全部條件；另一方面，做實驗有時候要破壞一個“環境”，我們對地球沒法開展類似實驗，因為地球環境不容破壞。
（2）用數值模擬預測天氣氣候
隨著電子計算機的出現，國際上提出了第三種科學研究的方法，稱為“數值模擬”或“數值試驗”。簡言之，就是透過建立數學模型，利用電子計算機求解，把經過理論模型計算後的數值和實際對比，來證明理論預測是不是和實際的一致。如果這個數學模型與實際相符，就可用來進行模擬試驗。
上世紀60年代，中國科學院大氣物理研究所的曾慶存（現為中國科學院院士、國家最高科學技術獎獲得者、“寰”發起人之一）從單一的大氣圈入手，發展了一個區域尺度且相對簡化的大氣模式，能在小範圍內預報出短時間內的天氣情況。在這項研究中，曾慶存從分析大氣運動規律的本質入手，用不同的計算方法分別計算不同過程，提出了“半隱式差分法”，是世界上首個用原始方程直接進行實際天氣預報的方法。該演算法至今仍是世界數值天氣預報核心技術的基礎。
到了上世紀80年代，曾慶存帶領團隊設計了一套全球尺度的大氣環流模式，在此基礎上，後人不斷對其升級。上世紀90年代，曾慶存又和團隊利用大氣、海洋、陸面三個分系統模型，耦合成氣候系統模式，這個模式在超級計算機上運轉，實現了跨季度的氣候預測，比如在冬末就能預測來年夏天的洪水。
然而，要研究長時間跨度的氣候變化問題，不能只利用大氣、海洋、陸面模型，還需要將地球系統中對氣候狀態變化有影響的環境、生態等過程都考慮在內，並計算它們之間的相互作用，這就必須建立一個更復雜的地球系統模式，也需要一個足夠強大的超級計算機。21世紀初，國際上的氣候變化研究開始從氣候系統模擬向地球系統模擬過渡，日本、美國、歐洲等國家和地區紛紛制定了地球系統模式研究計劃，並投入巨資進行發展。
（3）用數字造出地球“孿生兄弟”
2005年，曾慶存初步提出了“地球系統模式”的設想。2007年，在一次地球系統模式研討會上，曾慶存與科學家們討論了地球系統模式如何應用到未來氣候變化研究，得到中科院的高度重視。2011年，中科院向國家申報建立“地球系統數值模擬裝置”。2013年，申報獲國家批准。2018年，“地球系統數值模擬裝置”在北京懷柔科學城東部組團密雲經濟開發區破土動工，正式進入建設實施階段。2021年6月23日，“地球系統數值模擬裝置”在北京懷柔科學城實現試執行，為建黨百年、北京冬奧會和冬殘奧會等重大活動提供氣象和環境保障，取得了不錯的效果。2022年10月17日，“地球系統數值模擬裝置”透過國家驗收，正式開放執行。
地球系統數值模擬裝置——“寰”是我國研製成功的首個具有自主智慧財產權，以地球系統各圈層數值模擬軟體為核心，軟、硬體指標相適應，規模及綜合技術水平位於世界前列的專用地球系統數值模擬裝置。“獨立自主”是“寰”最值得驕傲的“特質”（軟、硬體的自主化率超過90%），它是首個我國具有自主智慧財產權的“完整”地球系統模式，採用國產晶片，取得了我國大科學裝置建設“自主可控”的突破。
作為一個軟、硬體一體的大科學裝置，“寰”包含兩個應用軟體（地球系統模式數值模擬系統、區域高精度環境模擬系統）和兩個支撐軟體，實現了全球高解析度（大氣24公里、海洋7。8公里）數值模擬、全國1至3公里區域高精度環境模擬。“寰”的硬體裝置“矽立方”，是專為“寰”研製的面向地球科學的高效能計算系統，採用獨特的計算分割槽設計，與通用超算相比，具備“高效、節能、環保”優點，其1分鐘的算力相當於全球76億人同時用計算器不間斷計算4年，並提供了126PB的總儲存空間，可以裝下約20個國家圖書館的館藏資料，儲存著大氣、海洋、陸地、生態等地球科學領域內各個圈層的觀測及模擬資料，可以說是為地球打造了一個“孿生兄弟”。
（4）“寰”的使命與未來
數值模式是“寰”的靈魂，“寰”的核心模式軟體就是大氣所經過長期科研攻關、自主研發的地球系統模式CAS-ESM。除了傳統的大氣環流、海洋環流、陸面過程等用於描述氣候系統（溫度、降水、海溫、極端天氣等）演變的分量模式，還加入了用於描述生態和環境變化的分量模式，如植被演替，全球碳迴圈，氣溶膠的排放、生成和傳輸，海洋上層生態系統生長消亡等，此外還拓展了具有我國獨創特色的模組，如日地空間環境模式、固體地球模式、大陸冰蓋模式等。
“寰”不僅有“大局觀念”，可以預測全球的氣候變化，關注全人類的命運，也同樣注重“細節”。“寰”的另一個模式系統——區域高精度環境模擬系統，直接面向我國天氣預報、大氣汙染預報預警、農業乾旱預測以及氣候風險預估等關鍵區域環境問題，形成對我國主要環境要素（氣候、天氣、大氣汙染、農業旱災）的高精度模擬能力。系統的區域高精度大氣汙染模式分系統，是國內首個全球多尺度巢狀的、具有完全自主智慧財產權的大氣複合汙染傳輸模式，將區域大氣汙染模擬解析度提升至全國平均3公里、中東部1公里。
在“寰”建成之前，美國、日本、歐洲等國家和地區已經建有軟、硬體結合的地球系統數值模擬裝置，並以此掌握著全球氣候變化特別是全球變暖減緩、控制措施等方面的話語權。“寰”的建成，不僅使我國成為近20年來唯一有能力發展自己的地球系統模式的發展中國家，還使我國在地球模擬科學特別是在全球氣候變化學術領域不再處於被動地位。正如曾慶存在“寰”試執行啟動儀式上的發言所說，我們要用自己的計算資料作為氣候與環境領域的談判依據，提升我國的國際話語權。
把地球系統“搬進”實驗室、打造地球的“孿生兄弟”，作為我國首個建成的地球系統數值模擬裝置，“寰”推動了地球系統科學不同學科之間的交叉與融合，促進我國地球系統科學整體向國際一流水平跨越，為我國地球科學研究提供了一種新的正規化。
圖片來源：視覺中國