地球的“数字孪生兄弟”

曹美春

在漫漫历史长河中，地球气候一直都处于冷暖干湿相互交替、变化周期长短不一的波动变化中。然而，自第一次工业革命（18世纪60年代～19世纪中期）以来，随着二氧化碳等温室气体的大量排放，这种波动变化被打破了，地球气候呈现出了以变暖为主要特征的系统性变化，即全球变暖。

大量证据表明，全球变暖通过直接或间接的形式，对自然和人类产生了广泛的不利影响和相关损失与损害。人们不禁要问，气候为何变暖？气候变暖如何适应？未来，全球变暖可能暂停吗？在这样的背景下，地球的“数字孪生兄弟”、国家重大科技基础设施地球系统数值模拟装置——“寰”（huán），应运而生。

把地球“搬”进实验室

“寰”是用于模拟地球生态环境系统的一种装置，也被称为地球的“数字孪生兄弟”。它以观测数据为基础，利用数学建模，对地球表面各圈层（大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈、岩石圈）的物理、化学和生命过程及其演化规律进行描述，并在超级计算机上开展大规模科学计算，由此再现各个圈层过去和现在的演变，并预测其未来。

“寰”把“数字版”的地球“搬”进实验室，观察由不同情景造成的气候变暖时，地球系统是如何响应的、各圈层间又是如何相互作用的。

“寰”主体包括5个系统，它们之间组成了一个“三明治”式的结构。

如图所示，“寰”的顶层是模式层，对应两个数值模拟系统，一个是放眼全球的地球系统模式数值模拟系统，一个是聚焦中国的区域高精度环境模拟系统。

“寰”的底层是硬件层，对应一个专门面向地球科学的高性能计算系统。

“夹”在中间的，是由两个系统构成的支撑层，一个是超级模拟支撑与管理系统，它主要给模式层提供软件支撑；另一个是支撑数据库和资料同化及可视化系统，它的功能是数据库与显示层。

軟硬件协同设计

“寰”原气候变化

“独立自主”是“寰”最值得骄傲的特质，其软硬件的自主化率超过了90%，核心软件为中国首个具有自主知识产权的“完整”地球系统模式CAS-ESM2.0。如图所示，CAS-ESM2.0由大气环流、海洋环流、海冰、陆面过程、植被动力学、气溶胶和大气化学、陆地生化和海洋生化共8个模式组成，并通过耦（ǒu）合器（存在于软件中，起到模式间交互、链接等作用）来实现圈层间的物质、能量等交换。在不远的未来，CAS-ESM还将把“触角”延伸到临近空间、固体地球与大陆冰盖等领域。

“寰”的另一个软件——区域高精度环境模拟系统，为中国独创，主要针对中国天气预报、大气污染预报预警、农业干旱预测以及气候风险预估等区域环境问题，形成对中国气候、天气、大气污染、农业旱灾等的精确模拟能力。

“寰”的核心硬件——面向地球科学的高性能计算系统，被喻为中国地球系统科学领域培养的“特种兵”。它采用独特的计算分区设计，峰值计算能力达15.9PFlops（每秒所执行的浮点运算次数，1PF=1015次/秒的浮点运算），其1分钟的算力相当于全球76亿人同时用计算器不间断地计算4年。这位“特种兵”也“肚量惊人”，提供了126PB（1PB=1024TB）的总存储空间，约为20个国家图书馆的馆藏数据，可保存地球表面各圈层的海量观测及模拟资料。

 “寰”的5个系统示意图

“寰”力应对气候变化

“寰”能够对现实中的地球进行更准确的描述，不仅“顾全大局”，也“注重细节”，是地球科学研究的一大利器。

助力达成“双碳”目标

2015年联合国气候变化大会上，近200个国家一致同意通过《巴黎协定》，承诺将全球气温升幅控制在工业革命前水平2摄氏度之内，并努力将气温升幅限制在1.5摄氏度之内。至此，碳减排成为全球共识。2020年9月，中国首次提出，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，即“双碳”目标。

经过研究人员不懈努力，“寰”在国内率先解决了陆地、海洋碳循环与大气二氧化碳双向耦合（两个系统之间的交互，一个系统的变化可以影响到另一个系统）难题，并首次实现了自主计算大气二氧化碳浓度的时空趋势。因此，无论是温室气体核算、未来温升估计，还是海平面上升、冰冻圈变化对增暖的响应，“寰”都可以精确推演，为实现“双碳”目标提供科学支撑。

助力防灾减灾

2022年7～8月，中国南方地区受持续高温“炙烤”，多地气温突破历史极值，长江流域多条河系相继断流。今年8月，京津冀遭遇极端暴雨，北京记录到140年来最大降雨量，受灾人数近900万人。

 “完整”地球系统模式CAS-ESM2.0示意图

开展气候预测，有利于及早采取应对和防范措施、降低灾害损失，这正是“寰”的一个“长板”所在。经过研究人员长期实践改进，“寰”构建了国际第一梯队的厄尔尼诺（赤道太平洋中东部海水温度异常升高的现象）预测系统，以及具有坚实理论基础的短期气候预测系统。在2022年全国汛期降水预测中，提前、精准地对长江流域高温干旱做出预警，并创下了历史新高（81分）的预测评分。

助力美丽中国建设

近年来，随着环境的治理和改善，细颗粒物、沙尘暴、酸雨、二氧化硫污染等得到有效控制，这背后就有“寰”的科技助力。

治理复杂的大气污染问题，需对污染物进行准确模拟和预报预警，揭示污染的成因，从而采取针对性的防控措施。“寰”研究人员构建了中国首个具有自主知识产权的大气复合污染传输模式与公里级大气环境预报溯源系统。它具备大气污染物与二氧化碳一体化预报、溯源与调控等功能，高效支撑了空气质量保障、减污降碳协同治理、碳监测评估等国家重大需求。

未来，气候变化仍将是人类要共同面对的问题。“寰”通过数值模拟的方法，精准、全面地认识地球变化，研究气候变化的机制与原因，并预测地球未来，为应对全球气候变化提供有力的科学依据。应对气候变化不仅需要科学助力，也需要每个人的参与，只有大家共同努力，才能实现人与自然和谐共生的美好愿景！

（责任编辑 / 高琳  美术编辑 / 周游）