|
编者按：地球系统数值模拟装置——“寰”，是国家“十二五”重大科技基础设施项目，它是面向地球科学的高性能模拟装置。中科院之声与中国科学院大气物理研究所联合开设的“地球模拟实验室”专栏，将为大家介绍这一装置的强大功能，及其在应对气候问题，解决环境问题中所扮演的重要角色。 漫天黄沙遮蔽了本该绿意盎然的春色，“超级暴力梅（雨）”搅乱了江南水乡的安宁，极端高温炙烤着干涸的大地，转眼“帝王级”寒潮又以摧枯拉朽之势令所经之地悉数冰封……这些新闻真切地发生在你我身边，仿佛科幻电影里的灾难场景，地球没有流浪，但破坏已然发生。 随着社会的发展，人类文明飞速前进，自然环境也在悄然发生变化，全球持续变暖、环境污染加剧、自然灾害频发，人类正在经历着前所未有的诘问与考验—— 地球怎么了？ 要想回答这个问题，我们必须科学地认识这颗人类赖以生存的星球。 如何认识地球？在过去的很长时间里，伟大的科学家们发展了一系列理论和观测手段，对地球的过去和现在进行了解读，但仍然无法满足人们探索地球的好奇心，因为我们还没有办法像生物、化学等学科那样在实验室里验证地球系统的演变和发展，毕竟地球只有一个，科学家们无法人手分配一个地球，如果实验失败了，恐怕只能再向平行宇宙借一个地球过来了。 幸好，得益于计算机科学技术的发展，地球科学家们找到了一种解决方案，那就是将地球数字化，装入“数值实验室”。 地球模拟实验室 地球数字化 如何科学地为地球打造一个“数值实验室”？要回答这个问题，我们首先要思考地球上有什么？气态的空气、液态的江河湖海、固态的山石冰雪、不断演化的生命体……这些地球上的“花花万物”，实际上就对应着地球上的五大圈层：大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈。 构建“数值实验室”的第一步，就是将人类千百年来对自然世界的经验观测总结成物理规律，并用数学公式表达出来；将这些描述各圈层变化规律的方程进一步编写成计算机代码，就得到了对应于地球各圈层的分量模式；再通过超级计算机进行数值求解，我们就能够推演地球不同圈层的变化。例如，大气模式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合。 大气模式模拟的全球风场 大气运动方程 当我们有了描述各圈层的分量模式后，第二步要做的，就是通过“耦合器”将各自独立运行的分量模式有机地联系起来。耦合器就像一个庞大工厂的交换车间，有了它，各个分量模式之间才可以交换各自模拟的通量，像打通了任督二脉一样畅通无阻地运行下去。 利用耦合器将大气、海洋、海冰、陆面、动态植被、生物地球化学等分量模式耦合起来之后，我们就得到了一个相对完整的“地球系统模式”，就可以在这个“数值实验室”里玩转地球了。 简而言之，把地球装进“数值实验室”，就是对地球系统进行数值模拟，即以地球系统观测数据为基础，利用描述地球系统的物理、化学和生命过程及其演化的规律在超级计算机上进行大规模科学计算，科学家们由此得以重现地球的过去、模拟地球的现在、预测地球的未来。 卫星观测和数值模式模拟的2016年8月4日云图（引自Stevens et al. 2019, Progress in Earth and Planetary Science, Figure 2）。其中只有被标记出的那张是真正的卫星观测云图。 国际上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，前者仅考虑大气、海洋、陆面等气候系统各圈层的模拟，后者则进一步考虑了碳氮循环、生物地球化学过程等，对各分系统之间的耦合要求也水涨船高。 作为国家综合国力的体现，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的数值模式如此之多，但它们中的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。 “寰”：更完整的“数值孪生地球” “寰”（Earth Lab），全称地球系统数值模拟装置（Earth System Numerical Simulation Facility），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”坐落于北京怀柔科学城，为国家“十二五”重大科技基础设施建设项目，中国科学院大气物理研究所为项目建设法人。“寰”的建设内容包括地球系统模式数值模拟系统、区域高精度环境模拟系统（应用软件），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（支撑软件），面向地球科学的高性能计算系统（支撑硬件），以及配套的土建设施。“寰”建成后可为我国的地球科学研究提供新的范式。 包含了大气、海洋、化学、植被等10个分量模式的软件系统是“寰”的大脑和指挥中心。 我们知道，现实中的地球是一个由大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈和日地空间组成的复杂系统，各分系统又包含了许多物理、化学和生物过程，“寰”所包含圈层的完整度直接影响着其模拟结果的真实性。 “寰”的软件特色，就在于它的多圈层耦合（海陆气冰、生物地球化学、气溶胶、动态植被等），充分考虑了多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。 在自主研发的模式软件系统之外，采用了国产芯片的硬件设备是“寰”的另一个重要特色。超复杂的地球系统模式需要超给力的算力支持，“寰”的硬件装备“硅立方”实力自然也不容小觑，它像心脏和机体一样为“寰”的运行提供强大的动能和支撑。 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，带宽达到100Gbps。此外，“硅立方”的数据库拥有80PB的存储空间，可以装下约13个国家图书馆的馆藏数据，保存着大气、海洋、陆地、生态等地球科学领域内各个圈层的观测及模拟资料。 多时空尺度的大科学装置“寰”，考虑了更完整的圈层和更完善的过程，能够对现实中的地球进行更精确的描述，是地球科学研究的一大利器。 大国重器，剑指何方？
《巴黎协定》缔约以来，我国政府一直在努力制定减排措施，积极推进绿色可持续发展，“碳中和”就是其中一项重要举措。 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”。 无论是温室气体核算、未来升温预估，还是海平面上升、冰冻圈变化等其他圈层对增暖的可能响应，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，尤其是碳氮循环、生物地球化学过程的模拟，而这正是“寰”的优势所在。 因此，地球系统数值模拟装置建成后，将致力于“碳中和”和气候变化等相关研究工作，为国家战略需求提供科技支撑。
厄尔尼诺与南方涛动（ENSO）现象是气候系统在年际尺度上最显著的变化信号，在北半球冬季达到成熟位相，对次年夏季我国东部的气候有着重要影响（如夏季风强度和台风活动），是跨季节气候预测的主要信号来源。 利用高性能气候模式预测数月至一年后目标区域的冷暖旱涝已是国际上气候预测研究的主流方向。“地球系统数值模拟装置”建成后，将瞄准与国计民生息息相关的短期气候预测问题，利用更加精细和完善的地球系统模式，捕捉更全面的预测信号，为全面提高我国短期气候预测水平提供科技支撑。 此外，随着我国综合国力的提高和“一带一路”战略规划的实施，未来我们对近海、深远海海洋动力环境的预测需求也将不断增强。 作为地球系统模式的一个分系统，海洋环流模式可以提供空间均匀、时间连续的海洋环境信息，有助于我们深入研究海洋的物理机理。然而，由于受到计算机的设计和性能限制，当前我国海洋环流预测预报模式存在模拟分辨率和计算效率较低的问题。“寰”的高分辨率海洋分系统模式全面考虑了包括海洋生物化学在内的多种过程，可提供高质量的海洋环境模拟预测结果，是建设海洋强国之亟需。
随着社会经济的发展，环境污染问题日益凸显，细颗粒物（PM2.5）、臭氧、沙尘暴、酸雨等多种问题并存，对人体健康和生态环境都带来了很大危害。 数值模式可以对污染物进行溯源、实现对重污染天气过程的预报预警，并对各种污染控制措施的效果开展评估，进而协助制定大气污染控制方案。然而，大气污染问题在空间上包含从全球到城市尺度的动力过程，时间上包含毫秒尺度的化学过程和年尺度的传输过程，是数值模拟的重大挑战。 因此，“寰”包括面向我国区域的高精度大气污染模式分系统，具备高分辨率下完整模拟大气污染物理化学过程的能力，可为我国大气污染的精准预报和精细化防控技术发展提供先进的试验平台。 此外，“寰” 可以支撑暴雨、台风、沙尘暴、极端热浪和寒潮等灾害性天气的高分辨率模拟试验，为灾害性天气预报方法和工具的研发提供先进的科学平台，为国家防灾减灾等重大需求提供科技支撑。 变化正在发生，未来已经到来，读懂地球，人类探索未知的步伐从未停歇。 作为世界第二大经济体和最大的发展中国家，地球系统数值模拟装置“寰”将为我们实现“碳中和”、“美丽中国”等重大战略目标提供有力的科技支撑。 来源：中国科学院大气物理研究所 |
|
|
来自： 西北望msm66g9f > 《模电》
