《圖冊》計算機硬件平臺“矽立方”展示圖
地球模擬實驗室“環”將於2021在北京懷柔科學城初步建成。
2021，國家重點科技基礎設施數值模擬裝置地球實驗室即將建成。這是我國的又壹個大國。通過超級計算機進行大規模數值計算，可以再現地球的過去，模擬地球的現在，預測地球的未來，從而進行有針對性的“地球實驗”。這個大國也將在碳中和、氣候變化的研究中發揮重要作用。65438+2020年2月24日，lasg成立了國內首家從事碳中和基礎研究的科研機構。該設施必將為中國實現二氧化碳排放峰值和碳中和提供科學路徑和科技支撐。
什麽是地球系統模擬實驗室？
地球系統模擬器，又稱地球模擬實驗室。巴黎協議中提出的1.5或2的升溫目標是基於地球系統模擬器計算的。簡單來說，就是把模擬的“地球”放入實驗室，看看“地球”上的自然系統如何應對不同二氧化碳排放導致的全球變暖，最終確定壹個合適的升溫目標。註意，這裏所說的“地球”不是真實的地球，而是基於各種物理和數學方程的數字地球。
地球上氣態的空氣、液態的河流、湖泊和海洋、固態的巖石、冰雪和不斷進化的生命形式，可以簡單地歸為五大圈:大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈和生物圈。千百年來，人們感受著各個圈子的物候變化，同時也總結著大自然的經驗。基於科學的進步，我們已經能夠總結出壹些自然變化的物理規律，並用數學公式定量地表達出來。進壹步將這些數學方程寫入計算機代碼，得到每壹圈層對應的代碼集，也就是我們常說的。比如大氣模型，本質上就是大氣運動方程、連續方程、熱力學能量方程的代碼集。
由於自然界的壹切事物都是密切相關的這種復雜性，人們不可能壹次把所有的數學方程都包含在壹個代碼集中。為了簡化問題的求解，人們先構造壹個模型來描述單個圈層，然後通過壹個“耦合器”將所有單獨運行的模型有機地結合起來。耦合器就像壹個巨大工廠的交換車間，在層間進行物質和能量的交換，從而耦合大氣、海洋和地表的模式，最大程度地模擬自然界的演化過程。
得到這個數字“地球”後，通過輸入某壹時刻的觀測數據，在超級計算機上進行大規模數值計算，就可以推斷出地球不同圈層的變化，從而再現地球的過去，模擬地球的現在，預測地球的未來，從而進行有針對性的“地球實驗”。
“地圖集”的優勢
我們已經知道，現實中的地球是壹個復雜的系統，有著密切相關的各層，每壹層都包含著許多物理、化學和生物過程。因此，壹個地球系統模型所包含的層數以及每壹層中描述自然過程的完備性直接影響其模擬結果的真實性。世界數值模式的發展正處於從氣候系統模式向地球系統模式的過渡階段。前者只考慮大氣、海洋、陸面等氣候系統各圈層的模擬，後者則進壹步考慮碳氮循環、生物地球化學過程等，對子系統之間的耦合性要求更高。
作為綜合國力的體現，世界各國科學家都在積極發展自己的數值模型。例如，來自全球33個機構的約112個氣候模型版本註冊了正在進行的第六次國際耦合模型比較計劃(CMIP6)，這是有史以來數量最多的壹次。雖然目前世界上有這麽多的數值模型，但大部分還是氣候系統模型。只有美國、歐洲、日本和中國等少數國家和地區提交了地球系統模型，其中包括中科院大氣物理研究所開發的CAS-ESM2.0。值得壹提的是，CAS-ESM是地球模擬實驗室“Atlas”的核心模型軟件。CAS-ESM2.0在CMIP6對比測試中表現出色，對全球植被指數、總初級生產力等指標的模擬均居世界前列。
“圖集”位於北京懷柔科學城。它是基於地球系統各層數值模擬軟件的地球系統專用數值模擬裝置，規模和綜合技術水平居世界前列。Atlas的建設不僅包括地球系統模式的主要數值模擬系統，還包括區域高精度(空間分辨率1-3km)環境模擬系統、超級模擬支持與管理系統、支持數據庫和數據同化與可視化系統、地球科學高性能計算系統以及配套的民用設施。圖集建成後，可為我國地球系統科學研究提供新的範式。
作為全球地球系統模擬器的後起之秀，Atlas采用了我國自主知識產權的數值模擬軟件系統，擁有壹套完整、自洽、嚴謹的動力學、物理、化學和生態過程，分辨率達到了世界先進水平。此外，在多層耦合中充分考慮了層間的相互作用。在不久的將來，Atlas將進壹步耦合空間天氣、大陸冰川和固體地球模塊(如地球板塊的運動及其誘發的地形變化、地震、火山爆發等。)，並將地球系統模擬擴展到臨近空間和固體地球領域。
除了軟件的支持，如果沒有合適的計算機硬件來配合，所有的實驗都是紙上談兵。全球範圍的模擬實驗是壹個超算項目，時間尺度很廣。Atlas采用的國產芯片為超復雜的地球系統模型提供了超強的計算支持。專門為Atlas開發的“地球科學高性能計算機系統”，計算峰值不低於15PFlops，1分鐘的計算能力相當於全球72億人不間斷使用計算器四年。整個系統* * *擁有3000多個水冷計算節點，通過HDR InfiniBand高速網絡相互連接，帶寬高達100Gbps。此外，“矽立方”數據庫的存儲空間為80PB，可容納約13個國家圖書館的館藏數據，以存儲各圈的觀測和模擬數據。
大國重器，劍指何處？
在“碳中和”路線下，大力發展新能源和各種節能減排技術，減少碳排放，同時通過植樹造林、碳捕集和封存等“固碳”促進大氣中溫室氣體的吸收，最終使CO2的排放與吸收相等，即實現碳的“凈零排放”。
溫室氣體的核算和未來氣溫升高的預測需要有壹個完整圓圈的地球系統模型的模擬研究來支撐，這是Atlas的優勢。“地圖集”可以更全面地考慮地球系統的各個組成部分，特別是與地球生態系統和生物地球化學過程的相關性模擬及其與氣候系統的相互作用，並在此基礎上建立“生態-溫度-二氧化碳濃度-碳排放”的明確關系，從而降低1.5的升溫目標與碳排放之間關系的不確定性。
此外，在全球變暖的氣候背景下，近30年來關於極端天氣事件及其對人類生活影響的報道不斷增加，包括強臺風、高溫、暴雨、幹旱、寒潮等。這種極端天氣事件的空間尺度是幾公裏，時間尺度是幾個小時以內。為了準確捕捉這些天氣過程，需要提高模型的空間分辨率，但這也意味著必須承載巨大的計算量。Atlas建成後配備高性能計算機硬件，有可能準確預測極端天氣和氣候事件。利用更加精細完善的地球系統模型，Atlas可以捕捉到更加全面的預測信號，從而提高防災預警水平，增強我國防災減災能力。
隨著中國城市化進程的推進，出現了各種各樣的汙染問題。大氣汙染問題涉及地球系統復雜的排放過程，包括全球和區域傳輸過程以及城市尺度的動力過程，這對大氣汙染的模擬提出了巨大的挑戰。合理完整地模擬和再現這些過程是研究和控制大氣汙染的關鍵前提。Atlas擁有區域高精度空氣汙染模式子系統，可以模擬大氣中化學成分的排放、擴散和化學轉化。而且Atlas具有重金屬模擬、耦合源識別和追蹤技術的能力，可以做好汙染物的“溯源”分析，從而提升大氣汙染預測水平，讓“美麗中國”生態文明之路行穩致遠。
總之，“圖集”的誕生將顯著提升中國地球科學的整體創新能力，為解決防災減災、環境治理、可持續發展、生態安全等重大科學問題發揮重要作用。
放眼全球，美國、日本、歐洲等發達國家都建造了軟硬件結合的地球系統專用模擬裝置。例如，美國國家大氣科學中心(NCAR)憑借其長期世界領先的數值模擬裝置開發出了優秀的地球系統模型，因此這些國家主導了政府間氣候變化專門委員會(IPCC)氣候變化預測實驗的設計和評估報告。
變化正在發生，未來已經到來。隨著國家重量級“圖集”的問世，中國在地球模擬科學，尤其是全球氣候變化學術領域將不再處於被動地位，我們在應對全球氣候變化時將能掌握更多話語權！
(作者:陳可辛、趙茵，均為lasg博士，圖片均由研究所提供)