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，藍色星球上的大氣、海洋、陸地、植被等相互作用、彼此影響，構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，科學家們把地球“搬”進了實驗室。2021年6月23日，國家重大科技基礎設施“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”——寰（EarthLab）在北京懷柔科學城東區(qū)落成啟用。

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

　　圓夢時刻

　　懷柔科學城東區(qū)，建筑面積達2.4萬平方米的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬大科學裝置靜靜矗立。樓內(nèi)展廳，直徑3米的大球上“風起云涌”，模擬展示著不同時期大氣、海洋、植被狀況；5層高的超級計算機“硅立方”是大科學裝置的得力助手，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——歷時近三年，地球系統(tǒng)數(shù)值模擬大科學裝置正式宣告落成。這也是我國首個研制成功的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬大科學裝置。

　　來賓中，一位白發(fā)老人被簇擁在中間，臉上有欣慰也有自豪。他是曾慶存，中國科學院院士、國家最高科學技術獎得主，也是裝置的發(fā)起人之一。裝置的建設是老人近年來最牽掛的事情，只要身體允許，曾慶存會準時出現(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，任何大科學裝置的落成從來都不是一蹴而就，“寰”的建設也是如此——

　　2005年，曾慶存就初步提出了“地球系統(tǒng)模式”的設想。

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

　　2012年，在中國科學院大氣物理研究所召開的“地球系統(tǒng)模擬科學和技術”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。

　　2013年3月，國務院印發(fā)的《國家重大科技基礎設施建設中長期規(guī)劃（2012-2030年）》提出，在地球系統(tǒng)與環(huán)境科學領域，要“建設地球系統(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，認識地球環(huán)境過程基本規(guī)律，提高預測環(huán)境變化和重大災害的能力”。

　　經(jīng)過多輪論證后，該裝置獲國家發(fā)改委批復，2018年正式進入建設實施階段，科學家們終于把地球“搬”進了實驗室。

　　為什么要對地球進行模擬？曾慶存解釋，上世紀60年代，國際科學界提出地球科學應該怎樣發(fā)展的問題。當時世界上有兩種科學研究方法：一種是理論探討，即理論分析、邏輯推算，理論分析需要實驗去驗證，驗證正確了才是可靠的理論；另一種是實驗分析。

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

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

　　“我曾在中國科學院學部大會上兩次提出地球科學發(fā)展必須使用數(shù)值模擬的方法，算是最早提出這一觀點的人�！痹鴳c存曾這樣追溯。

　　隨著科學技術的進步，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)律運轉。要對地球系統(tǒng)進行數(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)學公式將其定量地表述出來，還要轉化成計算機能看懂的代碼。這就是科學家所謂的“模式”。

　　為真正實現(xiàn)這一點，數(shù)十年來，無數(shù)科學家孜孜求索著。

　　上世紀60年代，正在蘇聯(lián)留學的曾慶存從單一的大氣圈入手，將理論中的數(shù)值模擬研究推進重要一步�！澳鞘且惶妆容^簡單的大氣數(shù)值模式，能在小范圍內(nèi)預報出短時間內(nèi)的天氣情況。”中國科學院大氣物理研究所副研究員張賀介紹，到了上世紀80年代，曾慶存又帶領團隊設計了一套全球尺度的大氣環(huán)流模式，在此基礎上，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)流模式的設計研發(fā)中。

　　然而，這并不是終點

　　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)，并計算它們之間的相互作用，這就必須建立一個更復雜的地球系統(tǒng)模型。21世紀初，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，后者則進一步考慮了碳氮循環(huán)、生物地球化學過程等，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)�！爸脖缓蜌夂蛑�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、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)模擬將擴展到臨近空間和固體地球領域。

　　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)布第六次評估報告的第一工作組報告。報告預估，在未來幾十年里，所有地區(qū)的氣候變化都將加劇。報告顯示，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到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人體健康的臨界耐受閾值。

　　“報告很多預估數(shù)據(jù)的背后都有我們地球系統(tǒng)模式的支撐�！睆堎R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劃，來自全球的氣候學家將共享、分析和比較來自最新的全球氣候模式的模擬結果。第六次國際耦合模式比較計劃有來自全球33家機構的約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劃包括多項試驗，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氣候變化，基于溫室氣體、太陽輻射等觀測進行1850年以來的歷史氣候模擬等�！坝行┰囼炇怯袣v史數(shù)據(jù)可以比對的，模式模擬出的結果和觀測數(shù)據(jù)越接近，說明這個模式的準確性越高。”

　　這是一個非常耗時的過程。張賀介紹，按照現(xiàn)有的計算能力，地球系統(tǒng)模式一天大概能計算出地球10年左右的變化；而試驗要求的周期一般都是幾百年。“中間不出任何差錯，一項試驗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圓的喜悅。對于張賀和團隊人員來說，壓力更多一層，那時也正值提交試驗數(shù)據(jù)的關鍵節(jié)點。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�！八�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)�！痹谒�看來，雖然氣候領域的研究周期長，論文發(fā)表數(shù)量也不多，但是科研不能只看論文數(shù)量，還要看實際的價值和意義。

　　超復雜的地球系統(tǒng)模式需要強大的算力支持。張賀介紹，我國數(shù)值模式研究起步早、基礎好，但后來因沒有專門針對地球系統(tǒng)數(shù)值模擬特點設計的高性能計算機系統(tǒng)支撐，對相關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)模式時使用的計算機，是轉了很多個彎兒才從國外買來的�！爱敃r想買都沒人賣給你�！�

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

　　在建設初期，大氣所曾面臨一個重大選擇：計算機芯片用進口的還是國產(chǎn)的？最初的設計方案是采用進口處理器，后來國產(chǎn)芯片取得了重大進展，方案便將國產(chǎn)芯片納入考慮范圍。當時，建設方已經(jīng)預測到可能會有“卡脖子”的風險問題。于是，科研人員后續(xù)對國產(chǎn)芯片進行了密集測試，在兼容性、計算效率等方面取得系列突破之后，果斷采用了國產(chǎn)芯片。

　　一年后的事實證明，團隊當初選擇用國產(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)超過了進口芯片，“我們的計算機性能全面達到甚至有部分指標已經(jīng)超過了最初的設計�！睆堎R說。

　　大國擔當

　　一個毋庸置疑的事實是，地球“發(fā)燒”了。

　　從19世紀末至今，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�！鞍l(fā)燒”的地球帶來一系列災難：極端熱浪、極端干旱、更為猛烈的臺風等，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，成為當務之急。然而，如何減排？減排到什么程度？這是一個涉及科學、經(jīng)濟、政治等多個領域的重大戰(zhàn)略問題。
長期以來，美國、日本等發(fā)達國家在全球氣候變化學術領域具有主導權，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，很大程度上得益于他們建設的地球系統(tǒng)模擬裝置。

　　“寰”的問世將極大地扭轉這一局面。

　　“我們要用自己的計算數(shù)據(jù)作為氣候與環(huán)境領域談判的依據(jù)，提升我國的國際話語權�！痹鴳c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現(xiàn)相同的長期目標：加強對氣候變化所產(chǎn)生的威脅做出全球性回應，到本世紀末，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)出了大國擔當。2020年9月22日，國家主席習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年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。

　　“無論是1.5℃還是2℃升溫目標，均是基于全球先進的地球系統(tǒng)模式計算出來的。通過計算出不同碳排放量產(chǎn)生的升溫預估以及氣候系統(tǒng)各圈層對升溫的響應，最終確定一個合適的升溫目標。這必然涉及到對全球碳源匯收支的科學評估，對碳氮循環(huán)過程、生物地球化學過程的全球尺度模擬，是一項具有寬廣時間尺度的超級計算工程�！睆堎R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，并在此基礎上建立起“生態(tài)-氣溫-二氧化碳濃度-碳排放量”的清晰關系，為我國制定“碳中和”決策和實現(xiàn)“1.5℃升溫目標”提供強有力的科技支撐。

　　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)將顯著提升我國應對環(huán)境問題的能力，使我國防災減災水平躍升到新高度。

　　為了這些目標，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，吸引更多的機構加入，共同解讀地球，保護地球。

　　地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置硬件支持設備“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、玄黃、諦聽，也有希臘神話代表蓋亞、阿特拉斯，還有崽崽、藍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�！板尽钡陌�羅萬象，正表達了“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”的特點。

　　2、“寰”能成為預測未來的水晶球嗎？

　　借助模擬實驗室，我們可以觀察地球未來的運行趨勢，但對于細節(jié)的預測精度和準確度還有待提升�！澳壳疤崆耙粌蓚�月的趨勢預測已經(jīng)具備了一定的可信度，但提前更久的預測仍然面臨不小的困難�！睆堎R介紹。