把地球搬进实验室，大科学装置“寰”如何工作(2)

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。

文章来源：《分析试验室》 网址: http://www.fxsys.cn/zonghexinwen/2021/0623/1020.html