地球的“數字孿生兄弟”

曹美春

在漫漫歷史長河中，地球氣候一直都處于冷暖干濕相互交替、變化周期長短不一的波動變化中。然而，自第一次工業革命（18世紀60年代～19世紀中期）以來，隨著二氧化碳等溫室氣體的大量排放，這種波動變化被打破了，地球氣候呈現出了以變暖為主要特征的系統性變化，即全球變暖。

大量證據表明，全球變暖通過直接或間接的形式，對自然和人類產生了廣泛的不利影響和相關損失與損害。人們不禁要問，氣候為何變暖？氣候變暖如何適應？未來，全球變暖可能暫停嗎？在這樣的背景下，地球的“數字孿生兄弟”、國家重大科技基礎設施地球系統數值模擬裝置——“寰”（huán），應運而生。

把地球“搬”進實驗室

“寰”是用于模擬地球生態環境系統的一種裝置，也被稱為地球的“數字孿生兄弟”。它以觀測數據為基礎，利用數學建模，對地球表面各圈層（大氣圈、水圈、冰凍圈、生物圈、巖石圈）的物理、化學和生命過程及其演化規律進行描述，并在超級計算機上開展大規模科學計算，由此再現各個圈層過去和現在的演變，并預測其未來。

“寰”把“數字版”的地球“搬”進實驗室，觀察由不同情景造成的氣候變暖時，地球系統是如何響應的、各圈層間又是如何相互作用的。

“寰”主體包括5個系統，它們之間組成了一個“三明治”式的結構。

如圖所示，“寰”的頂層是模式層，對應兩個數值模擬系統，一個是放眼全球的地球系統模式數值模擬系統，一個是聚焦中國的區域高精度環境模擬系統。

“寰”的底層是硬件層，對應一個專門面向地球科學的高性能計算系統。

“夾”在中間的，是由兩個系統構成的支撐層，一個是超級模擬支撐與管理系統，它主要給模式層提供軟件支撐；另一個是支撐數據庫和資料同化及可視化系統，它的功能是數據庫與顯示層。

軟硬件協同設計

“寰”原氣候變化

“獨立自主”是“寰”最值得驕傲的特質，其軟硬件的自主化率超過了90%，核心軟件為中國首個具有自主知識產權的“完整”地球系統模式CAS-ESM2.0。如圖所示，CAS-ESM2.0由大氣環流、海洋環流、海冰、陸面過程、植被動力學、氣溶膠和大氣化學、陸地生化和海洋生化共8個模式組成，并通過耦（ǒu）合器（存在于軟件中，起到模式間交互、鏈接等作用）來實現圈層間的物質、能量等交換。在不遠的未來，CAS-ESM還將把“觸角”延伸到臨近空間、固體地球與大陸冰蓋等領域。

“寰”的另一個軟件——區域高精度環境模擬系統，為中國獨創，主要針對中國天氣預報、大氣污染預報預警、農業干旱預測以及氣候風險預估等區域環境問題，形成對中國氣候、天氣、大氣污染、農業旱災等的精確模擬能力。

“寰”的核心硬件——面向地球科學的高性能計算系統，被喻為中國地球系統科學領域培養的“特種兵”。它采用獨特的計算分區設計，峰值計算能力達15.9PFlops（每秒所執行的浮點運算次數，1PF=1015次/秒的浮點運算），其1分鐘的算力相當于全球76億人同時用計算器不間斷地計算4年。這位“特種兵”也“肚量驚人”，提供了126PB（1PB=1024TB）的總存儲空間，約為20個國家圖書館的館藏數據，可保存地球表面各圈層的海量觀測及模擬資料。

?“寰”的5個系統示意圖

“寰”力應對氣候變化

“寰”能夠對現實中的地球進行更準確的描述，不僅“顧全大局”，也“注重細節”，是地球科學研究的一大利器。

助力達成“雙碳”目標

2015年聯合國氣候變化大會上，近200個國家一致同意通過《巴黎協定》，承諾將全球氣溫升幅控制在工業革命前水平2攝氏度之內，并努力將氣溫升幅限制在1.5攝氏度之內。至此，碳減排成為全球共識。2020年9月，中國首次提出，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和，即“雙碳”目標。

經過研究人員不懈努力，“寰”在國內率先解決了陸地、海洋碳循環與大氣二氧化碳雙向耦合（兩個系統之間的交互，一個系統的變化可以影響到另一個系統）難題，并首次實現了自主計算大氣二氧化碳濃度的時空趨勢。因此，無論是溫室氣體核算、未來溫升估計，還是海平面上升、冰凍圈變化對增暖的響應，“寰”都可以精確推演，為實現“雙碳”目標提供科學支撐。

助力防災減災

2022年7～8月，中國南方地區受持續高溫“炙烤”，多地氣溫突破歷史極值，長江流域多條河系相繼斷流。今年8月，京津冀遭遇極端暴雨，北京記錄到140年來最大降雨量，受災人數近900萬人。

?“完整”地球系統模式CAS-ESM2.0示意圖

開展氣候預測，有利于及早采取應對和防范措施、降低災害損失，這正是“寰”的一個“長板”所在。經過研究人員長期實踐改進，“寰”構建了國際第一梯隊的厄爾尼諾（赤道太平洋中東部海水溫度異常升高的現象）預測系統，以及具有堅實理論基礎的短期氣候預測系統。在2022年全國汛期降水預測中，提前、精準地對長江流域高溫干旱做出預警，并創下了歷史新高（81分）的預測評分。

助力美麗中國建設

近年來，隨著環境的治理和改善，細顆粒物、沙塵暴、酸雨、二氧化硫污染等得到有效控制，這背后就有“寰”的科技助力。

治理復雜的大氣污染問題，需對污染物進行準確模擬和預報預警，揭示污染的成因，從而采取針對性的防控措施。“寰”研究人員構建了中國首個具有自主知識產權的大氣復合污染傳輸模式與公里級大氣環境預報溯源系統。它具備大氣污染物與二氧化碳一體化預報、溯源與調控等功能，高效支撐了空氣質量保障、減污降碳協同治理、碳監測評估等國家重大需求。

未來，氣候變化仍將是人類要共同面對的問題。“寰”通過數值模擬的方法，精準、全面地認識地球變化，研究氣候變化的機制與原因，并預測地球未來，為應對全球氣候變化提供有力的科學依據。應對氣候變化不僅需要科學助力，也需要每個人的參與，只有大家共同努力，才能實現人與自然和諧共生的美好愿景！

（責任編輯 / 高琳? 美術編輯 / 周游）