模擬地球？預測氣候？地球居然可以被搬進實驗室

央廣網(wǎng)北京6月26日消息 據(jù)中央廣播電視總臺中國之聲《新聞超鏈接》報道，23日，我國首個研制成功的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬大科學裝置，在北京懷柔科學城落成啟用。該裝置將用來計算出大氣圈、水圈、冰凍圈等的運動變化規(guī)律，對地球的過去進行反演、對現(xiàn)在進行觀察、對未來進行預測。

把地球搬進實驗室，是如何做到的？地球五個圈層如何互相影響？我國地球模擬裝置性能如何？

地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置：可以模擬地球的神奇軟件

地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置，顧名思義，即是用于模擬地球生態(tài)系統(tǒng)的一種裝置。地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置雖然被叫做裝置，但實際上，它并不是我們熟知的類似于超級計算機的大型裝置，而是一種軟硬件結合且以軟件為核心的裝置，研究者需要利用部署在超級計算機上的這些軟件，以及一些相關的數(shù)值來開展研究。

中國科學院大氣物理研究所副研究員張賀說，地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置被重點應用于計算地球的氣候環(huán)境在未來的演變趨勢，該裝置可以對一些災害性的天氣進行模擬，或者是對一些季節(jié)性的氣候環(huán)境進行預測，比如：干旱洪澇、高溫熱浪、臺風、沙塵暴等，甚至可以對農業(yè)產量進行預測。除了對氣候環(huán)境進行模擬和預測外，地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置還可以核算當前人類的碳排放量和碳吸收量，模擬在不同的減排路徑下的氣候變化，以助力“雙碳目標”的達成，治理大氣污染。

地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置是怎樣工作的？

認識地球各圈層的基本規(guī)律是研究者利用裝置進行模擬的基礎。地球由五大圈層組成，分別是大氣圈、水圈、冰凍圈和巖石圈以及生物圈。裝置的模擬過程實際上就是在模擬地球上五個圈層互相作用的過程。對于地球各圈層的相互作用關系，張賀舉例：在大氣和冰凍圈之間，大氣的溫度升高之后，冰雪會融化。冰雪融化后，地表的反照率大大降低，地表和大氣就會吸收更多的太陽光，導致溫度進一步上升，從而導致積雪也進一步融化。在圈層的活動中，人類的活動非常重要且十分復雜，我們的生產和生活會對地球的各個圈層產生一系列的影響。

在了解各圈層的基本規(guī)律后，研究者會形成數(shù)學方程式以表達規(guī)律，之后將數(shù)學方程式結合計算機程序算法形成一個數(shù)學物理模型，最后將此模型放到計算機上進行計算，求出方程式的解，完成一次模擬。

由于模擬過程涉及的圈層較多，涉及的要素也較多，因此地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置的計算量非常大，數(shù)據(jù)龐雜，過程繁復。

我國的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置的水平如何？

地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置計算過程復雜，對計算機要求高，既依賴硬件，又依賴軟件以及算法和數(shù)據(jù)，只有綜合實力強大的國家才有能力進行這方面的研制。

我國雖然在上世紀五六十年代就已開展相關研究，但大約在上世紀八十年代，我國才開發(fā)出一個完整實用的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬模式。從八十年代至今，我國的模式也在不斷的改進完善。我國的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置在剛建成時要遠遠落后于日本等發(fā)達國家，但如今我們與發(fā)達國家在這方面的研究水平已基本處于并跑狀態(tài)。張賀表示，我們的硬件裝置所采用的芯片是國產芯片，其性能在某些方面甚至稍強于英特爾芯片，同時在建設過程中我國也自主研發(fā)了許多新的算法，在提高計算效率的同時也優(yōu)化了計算的準確性。

我國地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置發(fā)展正朝著領先世界的水平不斷前進，未來將為我們的生活帶來更多好的改變。