大国重器“寰”：模拟地球推演未来(2)

　　作为综合国力的体现，各国科学家都在积极研发自己的数值模式。例如，正在进行中的第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）就有来自全球33家机构的约112个气候模式版本注册参加，其数量为历次之最。虽然目前国际上已有如此多的数值模式，但它们绝大多数仍是气候系统模式，仅有美国、欧洲、日本、中国等少数国家和地区提交了地球系统模式，其中就包括了由中科院大气物理研究所牵头研发的地球系统模式CAS-ESM2.0。值得一提的是，CAS-ESM正是地球模拟实验室“寰”的核心模式软件。CAS-ESM2.0在CMIP6对比试验中表现优异，对全球植被指数、总初级生产力等指标的模拟位居世界前列。

　　“寰”坐落于北京怀柔科学城，是一个以地球系统各圈层数值模拟软件为核心，软硬件相适应，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。“寰”的建设内容不仅包括主要的地球系统模式数值模拟系统，还有区域高精度（空间分辨率1-3公里）环境模拟系统，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，以及配套的土建设施。“寰”建成后可为我国的地球系统科学研究提供新的范式。

　　作为全球地球系统模拟装置的后起之秀，“寰”采用了具有我国自主知识产权的数值模拟软件系统，有完整、自洽和严谨的全套动力、物理、化学和生态过程，分辨率达到世界先进水平。并且在进行多圈层耦合时充分考虑了各个圈层之间的相互作用，在不远的未来，“寰”还将进一步耦合空间天气、大陆冰川和固体地球模块（如地球板块移动及其引发的地形变化、地震、火山爆发等），地球系统模拟将扩展到临近空间和固体地球领域。

　　除了软件的支持外，如果没有相适应的计算机硬件相匹配，那所有的试验都将是纸上谈兵。全球尺度的模拟实验，是一项具有宽广时间尺度的超级计算工程，“寰”采用的国产芯片为超复杂的地球系统模式提供了超给力的算力支持。专为“寰”研制的“面向地球科学的高性能计算机系统”具有不低于15PFlops的计算峰值，其1分钟的算力相当于全球72亿人同时用计算器不间断计算4年。整个系统共有3000多个水冷计算节点，相互之间采用HDR InfiniBand高速网络连接，带宽高达100Gbps。此外，“硅立方”数据库拥有80PB的存储空间，可以装下约13个国家图书馆的馆藏数据，用来保存各个圈层的观测及模拟资料。

　　大国重器，剑指何方

　　在“碳中和”路线下，我们将大力发展新能源及各种节能减排技术，减少碳排放，同时通过植树造林、碳捕集与封存等“固碳”途径，促进对大气中温室气体的吸收，最终使得CO2的排放量等于吸收量，即实现碳的“净零排放”。

　　对温室气体核算、未来升温预估均需要包含完整圈层的地球系统模式的模拟研究作为支撑，而这正是“寰”的优势所在。“寰”能够更全面地考虑地球系统的各个组成部分，特别是与地球生态系统和生物地球化学过程的相关模拟及其与气候系统的相互作用，在此基础上建立起“生态—气温—二氧化碳浓度—碳排放量”的清晰关系，从而减少1.5℃温升目标与碳排放量关系间的不确定性。

　　除此之外，在全球变暖的气候背景下，过去三十年间有关极端天气事件及其对人类生活影响的报道不断增加，这些事件包括强台风、高温、暴雨、干旱、和寒潮。这样的极端天气事件的空间尺度是几公里，时间尺度在几小时内。要想准确捕捉这些天气过程，就需要提高模式的空间分辨率，但也意味着必须承载随之增加的庞大计算量。配备高性能计算机硬件的“寰”建成后，给准确极端天气和气候事件提供了可能。利用更加精细和完善的地球系统模式，“寰”能够捕捉更全面的预测信号，以提高我国防灾预警水平、增强防灾减灾能力。