大国天兵“图集”:模拟地球演绎未来
《图册》计算机硬件平台“硅立方”展示图
地球模拟实验室“环”将于2021在北京怀柔科学城初步建成。
2021，国家重点科技基础设施数值模拟装置地球实验室即将建成。这是我国的又一个大国。通过超级计算机进行大规模数值计算，可以再现地球的过去，模拟地球的现在，预测地球的未来，从而进行有针对性的“地球实验”。这个大国也将在碳中和、气候变化的研究中发挥重要作用。65438+2020年2月24日，lasg成立了国内首家从事碳中和基础研究的科研机构。该设施必将为中国实现二氧化碳排放峰值和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？
地球系统模拟器，又称地球模拟实验室。巴黎协议中提出的1.5或2的升温目标是基于地球系统模拟器计算的。简单来说，就是把模拟的“地球”放入实验室，看看“地球”上的自然系统如何应对不同二氧化碳排放导致的全球变暖，最终确定一个合适的升温目标。注意，这里所说的“地球”不是真实的地球，而是基于各种物理和数学方程的数字地球。
地球上气态的空气、液态的河流、湖泊和海洋、固态的岩石、冰雪和不断进化的生命形式，可以简单地归为五大圈:大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈。千百年来，人们感受着各个圈子的物候变化，同时也总结着大自然的经验。基于科学的进步，我们已经能够总结出一些自然变化的物理规律，并用数学公式定量地表达出来。进一步将这些数学方程写入计算机代码，得到每一圈层对应的代码集，也就是我们常说的。比如大气模型，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。
由于自然界的一切事物都是密切相关的这种复杂性，人们不可能一次把所有的数学方程都包含在一个代码集中。为了简化问题的求解，人们先构造一个模型来描述单个圈层，然后通过一个“耦合器”将所有单独运行的模型有机地结合起来。耦合器就像一个巨大工厂的交换车间，在层间进行物质和能量的交换，从而耦合大气、海洋和地表的模式，最大程度地模拟自然界的演化过程。
得到这个数字“地球”后，通过输入某一时刻的观测数据，在超级计算机上进行大规模数值计算，就可以推断出地球不同圈层的变化，从而再现地球的过去，模拟地球的现在，预测地球的未来，从而进行有针对性的“地球实验”。
“地图集”的优势
我们已经知道，现实中的地球是一个复杂的系统，有着密切相关的各层，每一层都包含着许多物理、化学和生物过程。因此，一个地球系统模型所包含的层数以及每一层中描述自然过程的完备性直接影响其模拟结果的真实性。世界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。前者只考虑大气、海洋、陆面等气候系统各圈层的模拟，后者则进一步考虑碳氮循环、生物地球化学过程等，对子系统之间的耦合性要求更高。
作为综合国力的体现，世界各国科学家都在积极发展自己的数值模型。例如，来自全球33个机构的约112个气候模型版本注册了正在进行的第六次国际耦合模型比较计划(CMIP6)，这是有史以来数量最多的一次。虽然目前世界上有这么多的数值模型，但大部分还是气候系统模型。只有美国、欧洲、日本和中国等少数国家和地区提交了地球系统模型，其中包括中科院大气物理研究所开发的CAS-ESM2.0。值得一提的是，CAS-ESM是地球模拟实验室“Atlas”的核心模型软件。CAS-ESM2.0在CMIP6对比测试中表现出色，对全球植被指数、总初级生产力等指标的模拟均居世界前列。
“图集”位于北京怀柔科学城。它是基于地球系统各层数值模拟软件的地球系统专用数值模拟装置，规模和综合技术水平居世界前列。Atlas的建设不仅包括地球系统模式的主要数值模拟系统，还包括区域高精度(空间分辨率1-3km)环境模拟系统、超级模拟支持与管理系统、支持数据库和数据同化与可视化系统、地球科学高性能计算系统以及配套的民用设施。图集建成后，可为我国地球系统科学研究提供新的范式。
作为全球地球系统模拟器的后起之秀，Atlas采用了我国自主知识产权的数值模拟软件系统，拥有一套完整、自洽、严谨的动力学、物理、化学和生态过程，分辨率达到了世界先进水平。此外，在多层耦合中充分考虑了层间的相互作用。在不久的将来，Atlas将进一步耦合空间天气、大陆冰川和固体地球模块(如地球板块的运动及其诱发的地形变化、地震、火山爆发等。)，并将地球系统模拟扩展到临近空间和固体地球领域。
除了软件的支持，如果没有合适的计算机硬件来配合，所有的实验都是纸上谈兵。全球范围的模拟实验是一个超算项目，时间尺度很广。Atlas采用的国产芯片为超复杂的地球系统模型提供了超强的计算支持。专门为Atlas开发的“地球科学高性能计算机系统”，计算峰值不低于15PFlops，1分钟的计算能力相当于全球72亿人不间断使用计算器四年。整个系统* * *拥有3000多个水冷计算节点，通过HDR InfiniBand高速网络相互连接，带宽高达100Gbps。此外，“硅立方”数据库的存储空间为80PB，可容纳约13个国家图书馆的馆藏数据，以存储各圈的观测和模拟数据。
大国重器，剑指何处？
在“碳中和”路线下，大力发展新能源和各种节能减排技术，减少碳排放，同时通过植树造林、碳捕集和封存等“固碳”促进大气中温室气体的吸收，最终使CO2的排放与吸收相等，即实现碳的“净零排放”。
温室气体的核算和未来气温升高的预测需要有一个完整圆圈的地球系统模型的模拟研究来支撑，这是Atlas的优势。“地图集”可以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性模拟及其与气候系统的相互作用，并在此基础上建立“生态-温度-二氧化碳浓度-碳排放”的明确关系，从而降低1.5的升温目标与碳排放之间关系的不确定性。
此外，在全球变暖的气候背景下，近30年来关于极端天气事件及其对人类生活影响的报道不断增加，包括强台风、高温、暴雨、干旱、寒潮等。这种极端天气事件的空间尺度是几公里，时间尺度是几个小时以内。为了准确捕捉这些天气过程，需要提高模型的空间分辨率，但这也意味着必须承载巨大的计算量。Atlas建成后配备高性能计算机硬件，有可能准确预测极端天气和气候事件。利用更加精细完善的地球系统模型，Atlas可以捕捉到更加全面的预测信号，从而提高防灾预警水平，增强我国防灾减灾能力。
随着中国城市化进程的推进，出现了各种各样的污染问题。大气污染问题涉及地球系统复杂的排放过程，包括全球和区域传输过程以及城市尺度的动力过程，这对大气污染的模拟提出了巨大的挑战。合理完整地模拟和再现这些过程是研究和控制大气污染的关键前提。Atlas拥有区域高精度空气污染模式子系统，可以模拟大气中化学成分的排放、扩散和化学转化。而且Atlas具有重金属模拟、耦合源识别和追踪技术的能力，可以做好污染物的“溯源”分析，从而提升大气污染预测水平，让“美丽中国”生态文明之路行稳致远。
总之，“图集”的诞生将显著提升中国地球科学的整体创新能力，为解决防灾减灾、环境治理、可持续发展、生态安全等重大科学问题发挥重要作用。
放眼全球，美国、日本、欧洲等发达国家都建造了软硬件结合的地球系统专用模拟装置。例如，美国国家大气科学中心(NCAR)凭借其长期世界领先的数值模拟装置开发出了优秀的地球系统模型，因此这些国家主导了政府间气候变化专门委员会(IPCC)气候变化预测实验的设计和评估报告。
变化正在发生，未来已经到来。随着国家重量级“图集”的问世，中国在地球模拟科学，尤其是全球气候变化学术领域将不再处于被动地位，我们在应对全球气候变化时将能掌握更多话语权！
(作者:陈可辛、赵茵，均为lasg博士，图片均由研究所提供)