地球的“数字孪生兄弟”寰

撰文/曹美春（中国封建院大气物理研讨所）

在漫漫汗青长河中，地球天气不休都处于冷暖干湿互相瓜代、厘革周期是非不一的动摇厘革中。但是，自第一次产业反动（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多量排放，这种动摇厘革被冲破了，地球天气展现出了以变暖为主要特性的体系性厘革，即举世变暖。

多量证据标明，举世变暖经过直接或直接的情势，对天然和人类产生了广泛的拦阻影响和干系丧失与侵害。人们不由要问，天气为何变暖？天气变暖怎样顺应？将来，举世变暖约莫停息吗？在如此的背景下，地球的“数字孪生兄弟”、国度严重科技基本办法地球体系数值模仿安装——“寰”（huán），应运而生。

把地球“搬”进实行室

“寰”是用于模仿地球生态情况体系的一种安装，也被称为地球的“数字孪生兄弟”。它以观察数据为基本，使用数学建模，对地球外表各圈层（大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈、岩石圈）的物理、化学和生命历程及其演化纪律举行形貌，并在超等盘算机上展开大范围封建盘算，由此再现各个圈层已往和如今的演化，并猜测其将来。

“寰”把“数字版”的地球“搬”进实行室，察看由不同情形形成的天气变暖时，地球体系是怎样呼应的、各圈层间又是怎样互相作用的。

“寰”主体包含5个体系，它们之间构成了一个“三明治”式的布局。

如图所示，“寰”的顶层是形式层，对应两个数值模仿体系，一个是放眼举世的地球体系形式数值模仿体系，一个是聚焦中国的地区高精度情况模仿体系。

“寰”的底层是硬件层，对应一个专门面向地球封建的高功能盘算体系。

“夹”在正中的，是由两个体系构成的支持层，一个是超等模仿支持与办理体系，它主要给形式层提供软件支持；另一个是支持数据库和材料殽杂及可视化体系，它的功效是数据库与体现层。

软硬件协同计划“寰”原天气厘革

独立自主”是“寰”最值得自满的特质，其软硬件的自主化率凌驾了90%，中心软件为中国首个具有自主知识产权的“完备”地球体系形式CAS-ESM2.0。如图所示，CAS-ESM2.0由大气环流、大海环流、海冰、陆面历程、植被动力学、气溶胶和大气化学、海洋生化和大海生化共8个形式构成，并经过耦（ǒu）合器（存在于软件中，起到形式间交互、链接等作用）来完成圈层间的物质、能量等互换。在不远的将来，CAS-ESM还将把“触角”延伸到临近空间、固体地球与大陆冰盖等范畴。

“寰”的另一个软件——地区高精度情况模仿体系，为中国首创，主要针对中国天气预告、大气沾染预告预警、农业干旱猜测以及天气风险预估等地区情况成绩，构成对中国天气、天气、大气沾染、农业干旱等的准确模仿才能。

“寰”的中心硬件——面向地球封建的高功能盘算体系，被喻为中国地球体系封建范畴培养的“特种兵”。它接纳共同的盘算分区计划，峰值盘算才能达15.9PFlops（每秒所实行的浮点运算次数，1PF=1015次/秒的浮点运算），其1分钟的算力相当于举世76亿人同时用盘算器不中断地盘算4年。这位“特种兵”也“胸怀惊人”，提供了126PB（1PB=1024TB）的总存储空间，约为20个国度图书馆的馆藏数据，可保存地球外表各圈层的海量观察及模仿材料。

“寰”力应对天气厘革

“寰”可以对实际中的地球举行改准确的形貌，不仅“保全大局”，也“注意细节”，是地球封建研讨的一大利器。

01

助力告竣“双碳”目标

2015年团结国天气厘革大会上，近200个国度一律赞同经过《巴黎协议》，允许将举世气温升幅控制在产业反动前水平2摄氏度之内，并积极将气温升幅限定在1.5摄氏度之内。至此，碳减排成为举世共鸣。2020年9月，中国初次提出，二氧化碳排放力图于2030年前到达峰值，积极攫取2060年前完成碳中和，即“双碳”目标。

颠末研讨职员不懈积极，“寰”在国内率先处理了海洋、大海碳循环与大气二氧化碳双向耦合（两个体系之间的交互，一个体系的厘革可以影响到另一个体系）困难，并初次完成了自主盘算大气二氧化碳浓度的时空趋向。因此，无论是温室气体核算、将来温升估测，照旧海平面上升、冰冻圈厘革对增暖的呼应，“寰”都可以准确推演，为完成“双碳”目标提供封建支持。

02

助力防灾减灾

2022年7～8月，中国南方地区受持续低温“炙烤”，多地气温打破汗青极值，长江流域多条河系相继断流。本年8月，京津冀遭遇极度暴雨，北京纪录到140年来最大降雨量，受灾人数近900万人。

展开天气猜测，有利于赶早接纳应对和防备办法、低落灾害丧失，这正是“寰”的一个“长板”地点。颠末研讨职员长时实践改良，“寰”构建了国际第一梯队的厄尔尼诺（赤道宁静洋中东部海水温度特别上升的征象）猜测体系，以及具有坚固实际基本的短期天气猜测体系。在2022年举国汛期降水猜测中，事先、精准地对长江流域低温干旱做出预警，并创下了汗青新高（81分）的猜测评分。

03

助力斑斓中国建立

比年来，随着情况的办理和改良，细颗粒物、沙尘暴、酸雨、二氧化硫沾染等取得好效控制，这眼前就有“寰”的科技助力。

办理繁复的大气沾染成绩，需对沾染物举行准确模仿和预告预警，展现沾染的成因，从而接纳针对性的防控办法。“寰”研讨职员构建了中国首个具有自主知识产权的大气复合沾染传输形式与公里级大气情况预告溯源体系。它具有大气沾染物与二氧化碳一体化预告、溯源与调控等功效，高效支持了氛围质量保证、减污降碳协同办理、碳监测评价等国度严重需求。

将来，天气厘革仍将是人类要协同面临的成绩。“寰”经过数值模仿的办法，精准、全盘地熟悉地球厘革，研讨天气厘革的机制与缘故，并猜测地球将来，为应对举世天气厘革提供上心的封建依据。应对天气厘革不仅必要封建助力，也必要每一局部的到场，仅有各位通力互助，才干完成人与天然和谐共生的优美愿景！

本文来自《知识就是力气》杂志，原标题《地球的“数字孪生兄弟”寰》，撰文/曹美春（中国封建院大气物理研讨所），有编削，原创作品转载请注明泉源。

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