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把地球搬进实验室,大科学装置“寰”如何工作?

06-23 新京报
语音播报预计22分钟

新京报快讯(记者 张璐)记者今天(6月23日)从中科院大气物理所获悉,国家重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”——寰(EarthLab)在北京怀柔科学城东区落成启用,这是我国首个研制成功的地球系统数值模拟大科学装置。

把地球搬进实验室,大科学装置“寰”如何工作?

“地球系统数值模拟装置”的计算机硬件平台“硅立方”正式亮相,超级计算机正在运转。新京报记者 侯少卿 摄

把地球搬进实验室,大科学装置“寰”如何工作?

展厅中悬挂着直径3米、清晰度达到5K的LED球形屏,装置模拟实验的部分结果会通过球体进行可视化直观展示。新京报记者 侯少卿 摄

地球系统数值模拟装置是我国首个具有自主知识产权,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。2018年经国家发改委批复,项目全面开工建设,其核心软件是中国科学院大气物理研究所自主研发的地球系统模式,集成耦合了包含大气、海洋、陆面、植被生态、大气化学、海洋生化、陆地生化在内的7个分系统模式,能够模拟大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈的演变规律,对地球的过去进行反演、对现在进行观察、对未来进行预测。这套软件一天可以计算出地球的大气圈、水圈、岩土圈、生物圈等多个圈层10年左右的变化。

记者今天在位于密云区的怀柔科学城东区看到,地球模拟实验室的科普展厅已经开放。展厅中悬挂着直径3米、清晰度达到5K的LED球形屏,装置模拟实验的部分结果会通过球体进行可视化直观展示。“目前,球屏展示的是大气模式中模拟出来的全球云的分布,画面每一帧代表实际中一个小时的情况。”大气物理所副研究员张贺介绍,装置还可以模拟出不同时期天气气候、海洋环境、大气环境、极地海冰、植被生态的情况,时间跨度达到数百年。

“地球系统数值模拟装置”的计算机硬件平台“硅立方”今天也正式亮相。“硅立方”是一个大型机房,2-4层的超级计算机正在运转,一层为存贮装置。“以往的超级计算机都是一层平铺的,这个是垂直放置的,所以叫硅立方。如此一来不仅占地面积小,最远的两个机柜之间的距离也小,数据传输就会稍微快一点。”

“地球系统数值模拟装置”的建成将服务于应对气候变化、生态环境建设、双碳愿景目标、防灾减灾(如天气预报)等国家重大需求,为国际气候与环境谈判提供有力的科学支撑。

把地球搬进实验室,大科学装置“寰”如何工作?

观众参观地球模拟实验室的科普展厅。新京报记者 侯少卿 摄

释疑1:地球科学为何要用上数值模拟

上世纪60年代,国际科学界提出地球科学应该怎样发展的问题。当时世界上有两种科学研究方法,一种是理论探讨,即理论分析、逻辑推算,理论分析需要实验去验证,验证正确了才是可靠的理论;另一种是实验分析。

但对于地球科学,做实验是不现实的。做实验有很多详细条件,例如需要保证实验室环境和真实环境一致。要做关于地球的实验,需要满足的条件太多,没办法做到全部符合。此外,做实验有时候要破坏一个“环境”,像生物科学可通过解剖来实现,但对全地球却没法开展类似实验,因为地球环境不容破坏。

当时正值电子计算机出现,于是国际上提出了第三种科学研究的办法,叫数值模拟,或称数值试验。这一方法简单来说,就是提出一个理论后,要验证这个理论对不对,就需要建立数学模型并利用电子计算机求解,把经过理论模型计算后的数值和实际对比,来证明理论预测是不是和实际的一致。如果这个数学模型与实际相符,就可用来做模拟实验。

地球系统模式软件是复杂的巨系统模型,需要多学科紧密联系,这是大气科学、计算科学和计算机技术融合的一个典型。

释疑2:地球系统模拟装置是如何工作的

地球上气态的空气、液态的江河湖海、固态的山石冰雪、不断演化的生命体……这些纷繁万物,可以简单地归为五大圈层:大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈。千百年来,人们在感受着各个圈层中物候变化的同时,也在对自然界的经验进行总结。

基于科学的进步,科研人员已经能够总结出一部分自然变化的物理规律,并用数学公式将其定量地表述出来。进一步将这些数理方程编写成计算机代码,就得到了对应于各个圈层的代码集合,也就是常说的“模式”。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。

科技人员首先构建起描述单个圈层的模式,再通过“耦合器”将各个独自运行的模式有机地联合在一起。耦合器就像一个庞大工厂的交换车间,其中进行着各圈层间的物质、能量交换,从而把大气、海洋、陆面等模式耦合起来,在最大程度上模拟出自然界的演变过程。

得到了数字化的“地球”后,输入某一时刻的观测数据,在超级计算机进行大规模的数值计算,科研人员就能够推演地球不同圈层的变化,由此重现地球的过去、模拟地球的现在、预测地球的未来,从而进行有针对性的“地球试验”。

释疑3:“寰”如何预警极端天气、助力防灾减灾

在全球变暖的气候背景下,过去三十年间有关极端天气事件及其对人类生活影响的报道不断增加,这些事件包括强台风、高温、暴雨、干旱和寒潮。这样的极端天气事件的空间尺度是几公里,时间尺度在几小时内。要想准确捕捉这些天气过程,就需要提高模式的空间分辨率,但也意味着必须承载随之增加的庞大计算量。

配备高性能计算机硬件的“寰”建成后,利用更加精细和完善的地球系统模式,“寰”能够捕捉更全面的预测信号,以提高我国防灾预警水平、增强防灾减灾能力。

全球尺度的模拟实验,是一项具有宽广时间尺度的超级计算工程。“寰”采用的国产芯片为超复杂的地球系统模式提供了超给力的算力支持。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。

“硅立方”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,用来保存各个圈层的观测及模拟资料。

释疑4:“寰”如何为碳中和提供支撑

自19世纪末以来,地球的平均地表温度上升了约1.18℃,大多数变暖过程发生在过去40年里,其中2016年和2020年是有记录以来最热的两年。全球温度的升高意味着人类将面临更多极端灾害天气:极端热浪、极端干旱、极端强对流天气以及更为猛烈的台风袭击等。

2015年,《巴黎协定》提出让所有国家共同致力于实现相同的长期目标:加强对气候变化所产生的威胁做出全球性回应,到本世纪末,将全球平均温升保持在相对于工业化前水平2℃以内,并为全球平均温升控制在1.5℃以内付出努力。

无论是1.5℃还是2℃温升目标,均是基于全球先进的地球模拟实验室计算出来的——将模拟的“地球”放进实验室里,看看在不同二氧化碳排放量造成的全球变暖下,“地球”上自然系统的响应程度如何,最终确定一个合适的温升目标。这涉及到对全球碳源汇收支的科学评估,对碳氮循环过程、生物地球化学过程的全球尺度模拟,是一项具有宽广时间尺度的超级计算工程。

我国承诺,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。“寰”具有过程完善的地球系统模式以及面向地球科学的高性能计算机系统,能够实现高精度的数值模拟计算,以应对宽广时空尺度上的气候系统的非线性计算。

“寰”能够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模拟及其与气候系统的相互作用,在此基础上建立起“生态-气温-CO2浓度-碳排放量”的清晰关系,对温室气体核算、未来升温预估提供有力的模拟支撑。

比如陆地系统作为全球最重要的碳汇之一,其作用在制定“碳中和”决策中不可忽视。“寰”使用的新版全球植被动力学模式能对全球植被分布和碳通量进行准确的模拟,从而更准确地把握陆地生态系统对全球变化的响应和反馈。

因此,“寰”的建成和使用将为我国制定“碳中和”决策和实现“1.5℃温升目标”提供强有力的科技支撑。

释疑5:“寰”如何应对污染

“寰”这个“地球模拟实验室”内有区域高精度大气污染模式分系统,该分系统拥有国内首个全球多尺度嵌套的、具有完全的自主知识产权的大气复合污染传输模式。

它能够模拟大气中化学成分的排放、扩散、对流、化学转化、干湿沉降等过程,模拟臭氧、氮氧化物等5气体和沙尘、海盐、硫酸盐、硝酸盐、黑碳、有机碳等气溶胶成分的时空变化。

“寰”能够为沙尘暴、臭氧、酸雨、灰霾、重金属沉降等大气环境污染研究保驾护航,进行空气污染预报预警、评估污染调控,并进一步探究气候-污染排放-区域空气质量相互作用。

它还采用全球多尺度嵌套,空间分辨率跨度从几百公里到几公里,同时具备重金属模拟能力、耦合源识别与追踪技术等特点,能够做好污染物“溯源”分析。“寰”模拟的中国区域的空间分辨率提升到了3公里,高分辨率模拟融合观测数据,能够大大地提高我国大气污染预测预警的准确性。

释疑6:目前其他国家是否有地球模拟装置“寰”处于什么水平?

一些发达国家已建成专门的地球模拟装置,从而在全球气候和环境变化问题的外交谈判中占据主导地位。美国地球模拟器Cheyenne(夏延)主导IPCC气候变化预估试验报告的撰写等,长期世界领先。日本地球模拟器京K推动日本地球模拟水平从世界中等水平进入世界前列。欧盟正在投资10亿欧元建设“活地球模拟器”。

“我们要用自己的计算数据作为气候与环境领域谈判的依据,提升我国的国际话语权”,国家最高科学技术奖得主、中国科学院院士曾庆存说。如今,我国面向地球系统专用数值模拟装置的建成将有利于扭转这一局面。

我国地球系统数值模拟装置的大气模式水平分辨率(实为网格距)可达25公里,海洋模式可达10公里,能够达到世界先进水平。

释疑7:“寰”建设过程中有何挑战和突破?

据大气物理所研究员朱江介绍,“寰”的建设突破一系列卡脖子问题,提前1年半落成启用,实现“早建成、早服务”。

当时初步设计方案中采用英特尔处理器,在得知我国国产芯片取得重大进展后,为了应对潜在的卡脖子风险,建设单位的科技人员在3个月内对国产芯片进行了密集测试,在兼容性、计算效率等一系列方面取得突破,果断决策采用国产芯片的技术方案。

“国产芯片自主可控,同时也需要不断优化,当时我们没日没夜进行了大量的测试。”他说,一年后,美国将我国所有高性能计算厂商列入实体清单。采用国产芯片避免了因为卡脖子问题导致的装置建设延期等严重后果。

大气所研究员周广庆称,“寰”的软件本质是用计算机求解最复杂的方程,科研人员在软件并行计算上也做了大量工作,为此科学家付出了很大的辛苦。

释疑8:“寰”未来有何计划?

据大气物理所所长曹军骥介绍,“寰”预计2022年通过验收后正式建成,实现开放共享与服务。作为怀柔科学城北京国家综合科学中心首个落成的大科学装置,在原始创新、人才汇聚等方面充分发挥作用,推动北京市气象信息产业园的建设。

周广庆介绍,目前装置更集中在地球表面圈层研究,因为人类生活在地球表面。未来将耦合更多的分系统,研究“入地上天”的深层地球,把地幔热力过程、大陆板块漂移、地震、临近空间大气等考虑进来。

新京报记者 张璐 摄影记者 侯少卿

编辑 樊一婧 校对 吴兴发

(责任编辑:王治强)
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