大国重器“寰”：模拟地球推演未来

原标题：大国重器“寰”：模拟地球 推演未来

　　地球模拟实验室

　　“寰”计算机硬件平台“硅立方”展示图

　　地球模拟实验室“寰”于2021年将在北京市怀柔科学城初步建成。

　　2021年，由中国科学院大气物理研究所牵头的国家重大科技基础设施地球系统数值模拟装置“寰”（EarthLab）即将建成。这是我国的又一项大国重器，通过超级计算机进行大规模的数值计算，能够重现地球的过去、模拟地球的现在、预测地球的未来，从而进行有针对性的“地球试验”。这一大国重器也将在碳中和、气候变化等研究中发挥重要作用——2020年12月24日，中国科学院大气物理研究所成立全国首家从事碳中和基础研究的科研机构，这一设施必将为我国实现碳达峰、碳中和提供科学路径和科技支撑。

　　什么是地球系统模拟实验室

　　地球系统模拟装置，又称地球模拟实验室。《巴黎协定》中提出的无论是1.5℃还是2℃温升目标，均是基于地球系统模拟装置计算出来的。简单来说，就是将模拟的“地球”放进实验室里，看看在不同二氧化碳排放量造成的全球变暖下，“地球”上自然系统的响应程度如何，最终确定一个合适的温升目标。注意，这里所说的“地球”并不是一个真实的地球，而是一个基于各种物理数学方程的数字化地球。

　　地球上气态的空气、液态的江河湖海、固态的山石冰雪、不断演化的生命体……这些纷繁万物，可以简单地归为五大圈层：大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈。千百年来人们感受着各个圈层中物候变化的同时，也在对自然界的经验进行总结。基于科学的进步，我们已经能够总结出一部分自然变化的物理规律，并用数学公式将其定量地表述出来。进一步将这些数理方程编写成计算机代码，就得到了对应于各个圈层的代码集合，也就是我们常说的模式。例如大气模式本质上就是大气运动方程、连续方程、热力学能量方程的代码集合。

　　由于自然界中万物息息相关这一特性的复杂性，人们无法一次性将所有圈层的数理方程囊括在一个代码集合里。为了简化问题的求解，人们首先构建起描述单个圈层的模式，再通过“耦合器”将各个独自运行的模式有机地联合在一起。耦合器就像一个庞大工厂的交换车间，其中进行着各圈层间的物质、能量交换，从而把大气、海洋、陆面等模式耦合起来，在最大程度上模拟出自然界的演变过程。

　　得到了这个数字化的“地球”后，输入某一时刻的观测数据，在超级计算机进行大规模的数值计算，我们就能够推演地球不同圈层的变化，由此重现地球的过去、模拟地球的现在、预测地球的未来，从而进行有针对性的“地球试验”。

　　“寰”的优势

　　我们已经知道，现实中的地球是一个各圈层紧密联系的复杂系统，各个圈层中包含了许多物理、化学和生物过程，因此一个地球系统模式包含的圈层数目以及描述各个圈层中自然过程的完整度直接影响着其模拟结果的真实性。国际上数值模式的发展正处于从气候系统模式向地球系统模式的过渡阶段，前者仅考虑大气、海洋、陆面等气候系统各圈层的模拟，后者则进一步考虑了碳氮循环、生物地球化学过程等，对各分系统之间的耦合要求也相对更高。