100多億年前，一次大爆炸，讓宇宙開始了無限膨脹，物質(zhì)、時間、空間由此誕生，群星隨之閃耀。在浩渺的宇宙中，一顆蔚藍(lán)色的星球被特別眷顧，適宜的溫度、光照、濕度讓生命得以孕育滋養(yǎng)。

　　歲月更迭，四季輪回，藍(lán)色星球上的大氣、海洋、陸地、植被等相互作用、彼此影響，構(gòu)造著我們正在生活著的家園。

　　那么，這一切究竟是如何發(fā)生的？過去發(fā)生的一切又給今天的我們帶來了怎樣的啟發(fā)？

　　為了對這些問題作出解答，科學(xué)家們把地球“搬”進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室。2021年6月23日，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”——寰（EarthLab）在北京懷柔科學(xué)城東區(qū)落成啟用。

　　解讀地球的過去、觀察地球的現(xiàn)在、預(yù)測地球的未來，一切都不再只是夢想。

　　圓夢時刻

　　懷柔科學(xué)城東區(qū)，建筑面積達(dá)2.4萬平方米的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬大科學(xué)裝置靜靜矗立。樓內(nèi)展廳，直徑3米的大球上“風(fēng)起云涌”，模擬展示著不同時期大氣、海洋、植被狀況；5層高的超級計(jì)算機(jī)“硅立方”是大科學(xué)裝置的得力助手，置身其中，科技感和未來感撲面而來。

　　6月23日，這里高朋滿座，一片喜氣洋洋——?dú)v時近三年，地球系統(tǒng)數(shù)值模擬大科學(xué)裝置正式宣告落成。這也是我國首個研制成功的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬大科學(xué)裝置。

　　來賓中，一位白發(fā)老人被簇?fù)碓谥虚g，臉上有欣慰也有自豪。他是曾慶存，中國科學(xué)院院士、國家最高科學(xué)技術(shù)獎得主，也是裝置的發(fā)起人之一。裝置的建設(shè)是老人近年來最牽掛的事情，只要身體允許，曾慶存會準(zhǔn)時出現(xiàn)在課題組的各種討論會上。他多次表示，“等建成了，我一定要去現(xiàn)場看一看。”

　　一朝夢圓

　　不過，任何大科學(xué)裝置的落成從來都不是一蹴而就，“寰”的建設(shè)也是如此——

　　2005年，曾慶存就初步提出了“地球系統(tǒng)模式”的設(shè)想。

　　2011年，中國科學(xué)院向國家申報(bào)建立“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”。

　　2012年，在中國科學(xué)院大氣物理研究所召開的“地球系統(tǒng)模擬科學(xué)和技術(shù)”發(fā)展戰(zhàn)略研討會上，包括17位院士在內(nèi)的國內(nèi)40多個單位的100多位專家達(dá)成共識，呼吁國家盡快啟動“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬器”的建設(shè)。

　　2013年3月，國務(wù)院印發(fā)的《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃（2012-2030年）》提出，在地球系統(tǒng)與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，要“建設(shè)地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置，支撐氣候變化、地球系統(tǒng)及各層圈過程模擬研究，認(rèn)識地球環(huán)境過程基本規(guī)律，提高預(yù)測環(huán)境變化和重大災(zāi)害的能力”。

　　經(jīng)過多輪論證后，該裝置獲國家發(fā)改委批復(fù)，2018年正式進(jìn)入建設(shè)實(shí)施階段，科學(xué)家們終于把地球“搬”進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室。

　　為什么要對地球進(jìn)行模擬？曾慶存解釋，上世紀(jì)60年代，國際科學(xué)界提出地球科學(xué)應(yīng)該怎樣發(fā)展的問題。當(dāng)時世界上有兩種科學(xué)研究方法：一種是理論探討，即理論分析、邏輯推算，理論分析需要實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證，驗(yàn)證正確了才是可靠的理論；另一種是實(shí)驗(yàn)分析。

　　對于地球科學(xué)，做實(shí)驗(yàn)顯然是不現(xiàn)實(shí)的。一方面，做實(shí)驗(yàn)有很多限定條件，要做關(guān)于地球的實(shí)驗(yàn)，沒辦法符合全部條件；另一方面，做實(shí)驗(yàn)有時候要破壞一個“環(huán)境”，而地球環(huán)境不容破壞。

　　當(dāng)時電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)了，于是國際上提出了第三種科學(xué)研究的辦法，稱為“數(shù)值模擬”或“數(shù)值試驗(yàn)”。簡單來說，就是通過建立數(shù)學(xué)模型，利用電子計(jì)算機(jī)求解，把經(jīng)過理論模型計(jì)算后的數(shù)值和實(shí)際對比，來證明理論預(yù)測是不是和實(shí)際的一致。如果這個數(shù)學(xué)模型與實(shí)際相符，就可用來進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

　　“我曾在中國科學(xué)院學(xué)部大會上兩次提出地球科學(xué)發(fā)展必須使用數(shù)值模擬的方法，算是最早提出這一觀點(diǎn)的人。”曾慶存曾這樣追溯。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)值模擬的發(fā)展已今非昔比，模式系統(tǒng)已經(jīng)由單一的大氣模式，逐步實(shí)現(xiàn)了包括海洋、陸地、海冰、植被等多圈層分量模式的耦合。

　　“寰”就是這樣一個集大成者

　　江河湖海、山川冰石、葳蕤草木……紛繁萬物，歸根結(jié)底，分屬大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈、生物圈五大圈層；各圈層遵循著大自然精妙的規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn)。要對地球系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，也就意味著，要在抽絲剝繭中找到這個規(guī)律，并用數(shù)學(xué)公式將其定量地表述出來，還要轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能看懂的代碼。這就是科學(xué)家所謂的“模式”。

　　為真正實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，數(shù)十年來，無數(shù)科學(xué)家孜孜求索著。

　　上世紀(jì)60年代，正在蘇聯(lián)留學(xué)的曾慶存從單一的大氣圈入手，將理論中的數(shù)值模擬研究推進(jìn)重要一步。“那是一套比較簡單的大氣數(shù)值模式，能在小范圍內(nèi)預(yù)報(bào)出短時間內(nèi)的天氣情況。”中國科學(xué)院大氣物理研究所副研究員張賀介紹，到了上世紀(jì)80年代，曾慶存又帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套全球尺度的大氣環(huán)流模式，在此基礎(chǔ)上，后來人不斷對其升級。2003年，張賀來到大氣所成為曾慶存的學(xué)生，他博士期間的主要精力都投入到第四代大氣環(huán)流模式的設(shè)計(jì)研發(fā)中。

　　然而，這并不是終點(diǎn)

　　要研究長時間跨度的氣候變化問題，還需要將地球系統(tǒng)中對氣候狀態(tài)變化有影響的環(huán)境生態(tài)等都考慮在內(nèi)，并計(jì)算它們之間的相互作用，這就必須建立一個更復(fù)雜的地球系統(tǒng)模型。21世紀(jì)初，國際上的研究也開始從氣候系統(tǒng)模式向地球系統(tǒng)模式過渡。

　　“前者僅考慮大氣、海洋、陸面等氣候系統(tǒng)各圈層的模擬，后者則進(jìn)一步考慮了碳氮循環(huán)、生物地球化學(xué)過程等，對各分系統(tǒng)之間的耦合要求也變得更高。”張賀舉例，比如，地球系統(tǒng)模型會將氣溶膠、二氧化碳的循環(huán)以及植被等因素都考慮在內(nèi)。“植被和氣候之間是有相互作用的，氣候變化了，植被隨之發(fā)生變化；植被本身對氣候也有反饋，有植被的地面與裸地面對太陽的反射率是不一樣的，這反過來也會影響氣候。”

　　作為“寰”的“核心大腦”，由大氣所自主研發(fā)的地球系統(tǒng)模式，集成耦合了包含大氣、海洋、陸面、植被生態(tài)、大氣化學(xué)、海洋生化、陸地生化在內(nèi)的7個分系統(tǒng)，能夠模擬大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈、生物圈，打造出一個相對完整的數(shù)字版“孿生地球”。不久的將來，系統(tǒng)還將進(jìn)一步耦合空間天氣、大陸冰川和固體地球模塊，地球系統(tǒng)模擬將擴(kuò)展到臨近空間和固體地球領(lǐng)域。

　　嶄露頭角

　　讓人欣喜的是，“核心大腦”已經(jīng)開始在國際舞臺上嶄露頭角。

　　2021年8月9日，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布第六次評估報(bào)告的第一工作組報(bào)告。報(bào)告預(yù)估，在未來幾十年里，所有地區(qū)的氣候變化都將加劇。報(bào)告顯示，全球升溫1.5℃時，熱浪將增加，暖季將延長，而冷季將縮短；全球升溫2℃時，極端高溫將更頻繁地達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人體健康的臨界耐受閾值。

　　“報(bào)告很多預(yù)估數(shù)據(jù)的背后都有我們地球系統(tǒng)模式的支撐。”張賀解釋，某個國家或地區(qū)單一的模式有一定的不確定性，所以國際上有一個國際耦合模式比較計(jì)劃，來自全球的氣候?qū)W家將共享、分析和比較來自最新的全球氣候模式的模擬結(jié)果。第六次國際耦合模式比較計(jì)劃有來自全球33家機(jī)構(gòu)的約112個氣候模式版本注冊參加，其數(shù)量為歷次之最。在這其中，絕大多數(shù)仍是氣候系統(tǒng)模式；僅有美國、歐洲、日本、中國等少數(shù)國家和地區(qū)提交了地球系統(tǒng)模式，其中就包括“寰”的核心模式軟件——地球系統(tǒng)模式。

　　國際耦合模式比較計(jì)劃包括多項(xiàng)試驗(yàn)，比如觀察二氧化碳移除能夠在多大程度上幫助緩解甚至逆轉(zhuǎn)氣候變化，基于溫室氣體、太陽輻射等觀測進(jìn)行1850年以來的歷史氣候模擬等。“有些試驗(yàn)是有歷史數(shù)據(jù)可以比對的，模式模擬出的結(jié)果和觀測數(shù)據(jù)越接近，說明這個模式的準(zhǔn)確性越高。”

　　這是一個非常耗時的過程。張賀介紹，按照現(xiàn)有的計(jì)算能力，地球系統(tǒng)模式一天大概能計(jì)算出地球10年左右的變化；而試驗(yàn)要求的周期一般都是幾百年。“中間不出任何差錯，一項(xiàng)試驗(yàn)也至少需要幾十天的時間；中間一旦發(fā)現(xiàn)有問題，就要調(diào)整參數(shù)，從頭再來。”

　　2020年春節(jié)，一場突如其來的新型冠狀病毒肺炎疫情打破了人們闔家團(tuán)圓的喜悅。對于張賀和團(tuán)隊(duì)人員來說，壓力更多一層，那時也正值提交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。電腦24小時馬不停蹄跑著數(shù)據(jù)，他們的心情也伴隨著曲線的弧度上下起伏著——如果模擬正常，曲線會圍繞著一個比較固定的值上下波動；如果突然增大或者減小，則說明模擬出了問題。“睡覺時筆記本電腦就放在床邊，晚上起來上廁所都要看一眼；如果發(fā)現(xiàn)曲線斷了，這一宿就沒法好好睡了。”

　　對這樣的枯燥，張賀卻不以為意。他的老師曾慶存常說，“中國要成為世界科技強(qiáng)國，必須有原創(chuàng)性成果，必須有更多能耐得住寂寞、坐得住冷板凳的青年人投身科研事業(yè)。”在他看來，雖然氣候領(lǐng)域的研究周期長，論文發(fā)表數(shù)量也不多，但是科研不能只看論文數(shù)量，還要看實(shí)際的價(jià)值和意義。

　　超復(fù)雜的地球系統(tǒng)模式需要強(qiáng)大的算力支持。張賀介紹，我國數(shù)值模式研究起步早、基礎(chǔ)好，但后來因沒有專門針對地球系統(tǒng)數(shù)值模擬特點(diǎn)設(shè)計(jì)的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支撐，對相關(guān)方面人才的重視程度也有所欠缺，其發(fā)展慢慢與國際最先進(jìn)水平拉開差距。他還記得，大氣所最初嘗試做地球系統(tǒng)模式時使用的計(jì)算機(jī)，是轉(zhuǎn)了很多個彎兒才從國外買來的。“當(dāng)時想買都沒人賣給你。”

　　幾十年過去了，超算領(lǐng)域早已是另外一番光景。我國超級計(jì)算機(jī)研制水平和性能從長期跟跑發(fā)展到并跑，部分技術(shù)領(lǐng)域甚至已經(jīng)在領(lǐng)跑。這讓“寰”的降臨迎來完美時機(jī)。

　　在建設(shè)初期，大氣所曾面臨一個重大選擇：計(jì)算機(jī)芯片用進(jìn)口的還是國產(chǎn)的？最初的設(shè)計(jì)方案是采用進(jìn)口處理器，后來國產(chǎn)芯片取得了重大進(jìn)展，方案便將國產(chǎn)芯片納入考慮范圍。當(dāng)時，建設(shè)方已經(jīng)預(yù)測到可能會有“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)問題。于是，科研人員后續(xù)對國產(chǎn)芯片進(jìn)行了密集測試，在兼容性、計(jì)算效率等方面取得系列突破之后，果斷采用了國產(chǎn)芯片。

　　一年后的事實(shí)證明，團(tuán)隊(duì)當(dāng)初選擇用國產(chǎn)芯片的決定是明智的。更令人欣喜的是，后續(xù)的測試發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)芯片在某些方面的性能已經(jīng)超過了進(jìn)口芯片，“我們的計(jì)算機(jī)性能全面達(dá)到甚至有部分指標(biāo)已經(jīng)超過了最初的設(shè)計(jì)。”張賀說。

　　大國擔(dān)當(dāng)

　　一個毋庸置疑的事實(shí)是，地球“發(fā)燒”了。

　　從19世紀(jì)末至今，地球的平均地表溫度上升了約1.18℃，而大多數(shù)變暖過程發(fā)生在過去40年里。“發(fā)燒”的地球帶來一系列災(zāi)難：極端熱浪、極端干旱、更為猛烈的臺風(fēng)等，讓全球“氣候難民”人數(shù)不斷上升。

　　限制全球溫室氣體的排放，將大氣中的溫室氣體濃度維持在一個穩(wěn)定的水平，成為當(dāng)務(wù)之急。然而，如何減排？減排到什么程度？這是一個涉及科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、政治等多個領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略問題。
長期以來，美國、日本等發(fā)達(dá)國家在全球氣候變化學(xué)術(shù)領(lǐng)域具有主導(dǎo)權(quán)，掌握著在全球氣候變化特別是全球變暖減緩、控制措施等方面的話語權(quán)，很大程度上得益于他們建設(shè)的地球系統(tǒng)模擬裝置。

　　“寰”的問世將極大地扭轉(zhuǎn)這一局面。

　　“我們要用自己的計(jì)算數(shù)據(jù)作為氣候與環(huán)境領(lǐng)域談判的依據(jù)，提升我國的國際話語權(quán)。”曾慶存在“寰”落成儀式上的發(fā)言擲地有聲。

　　2015年，在第21屆聯(lián)合國氣候變化大會上通過的《巴黎協(xié)定》首次提出，所有國家共同致力于實(shí)現(xiàn)相同的長期目標(biāo)：加強(qiáng)對氣候變化所產(chǎn)生的威脅做出全球性回應(yīng)，到本世紀(jì)末，把全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高控制在2℃以內(nèi)，并為把升溫控制在1.5℃以內(nèi)付出努力。

　　作為最大的發(fā)展中國家，中國在這一問題上展現(xiàn)出了大國擔(dān)當(dāng)。2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話，提出中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

　　“無論是1.5℃還是2℃升溫目標(biāo)，均是基于全球先進(jìn)的地球系統(tǒng)模式計(jì)算出來的。通過計(jì)算出不同碳排放量產(chǎn)生的升溫預(yù)估以及氣候系統(tǒng)各圈層對升溫的響應(yīng)，最終確定一個合適的升溫目標(biāo)。這必然涉及到對全球碳源匯收支的科學(xué)評估，對碳氮循環(huán)過程、生物地球化學(xué)過程的全球尺度模擬，是一項(xiàng)具有寬廣時間尺度的超級計(jì)算工程。”張賀介紹，“寰”能夠全面地考慮地球系統(tǒng)的各種過程及其相互作用，并在此基礎(chǔ)上建立起“生態(tài)-氣溫-二氧化碳濃度-碳排放量”的清晰關(guān)系，為我國制定“碳中和”決策和實(shí)現(xiàn)“1.5℃升溫目標(biāo)”提供強(qiáng)有力的科技支撐。

　　除了“核心大腦”“硅立方”外，“寰”還包括了空間分辨率達(dá)1至3公里的區(qū)域高精度環(huán)境模擬系統(tǒng)，這一系統(tǒng)將顯著提升我國應(yīng)對環(huán)境問題的能力，使我國防災(zāi)減災(zāi)水平躍升到新高度。

　　為了這些目標(biāo)，張賀和同事們正不斷努力著。他們期待著，將“寰”打造成一個開放共享的平臺，吸引更多的機(jī)構(gòu)加入，共同解讀地球，保護(hù)地球。

　　地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置硬件支持設(shè)備“硅立方”

　　釋疑

　　1、“寰”的名字從何而來？

　　2017年，中科院大氣物理研究所舉辦了“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”征名活動，共收到534個名稱，其中有代表中國傳統(tǒng)文化的伏羲、天機(jī)、玄黃、諦聽，也有希臘神話代表蓋亞、阿特拉斯，還有崽崽、藍(lán)色星球等各式各樣的昵稱。

　　經(jīng)過層層挑選，最終確定將“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”命名為“寰”，昵稱“寰寰”。小小的一個“寰”字涵蓋了以人類為中心的地球上各個領(lǐng)域：寰海，整個海洋；寰球，整個地球；寰宇，整個宇宙……可謂無所不包、無所不容。“寰”的包羅萬象，正表達(dá)了“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”的特點(diǎn)。

　　2、“寰”能成為預(yù)測未來的水晶球嗎？

　　借助模擬實(shí)驗(yàn)室，我們可以觀察地球未來的運(yùn)行趨勢，但對于細(xì)節(jié)的預(yù)測精度和準(zhǔn)確度還有待提升。“目前提前一兩個月的趨勢預(yù)測已經(jīng)具備了一定的可信度，但提前更久的預(yù)測仍然面臨不小的困難。”張賀介紹。