把地球搬进实验室，大科学装置“寰”如何工作

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。

“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

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。

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。

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