“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”近日在北京市懷柔科學(xué)城落成啟用。這是我國首個研制成功的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬大科學(xué)裝置，也是“十二五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”的建成將服務(wù)于應(yīng)對氣候變化、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、碳達(dá)峰碳中和愿景目標(biāo)、防災(zāi)減災(zāi)(如天氣預(yù)報)等國家重大需求，為國際氣候與環(huán)境談判提供有力的科學(xué)支撐。

這個名為“寰”(EarthLab)的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置是我國首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)，以地球系統(tǒng)各圈層數(shù)值模擬軟件為核心，軟、硬件協(xié)同設(shè)計，規(guī)模及綜合技術(shù)水平位于世界前列的專用地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置。其核心軟件是中國科學(xué)院大氣物理研究所(以下簡稱大氣所)經(jīng)過長期科研攻關(guān)，自主研發(fā)的地球系統(tǒng)模式，集成耦合了包含大氣、海洋、陸面、植被生態(tài)、大氣化學(xué)、海洋生化、陸地生化在內(nèi)的7個分系統(tǒng)模式，能夠模擬大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈、生物圈的演變規(guī)律，對地球的過去進(jìn)行反演，對現(xiàn)在進(jìn)行觀察，對未來進(jìn)行預(yù)測。

“寰”：為氣候與環(huán)境談判提供科學(xué)依據(jù)

一直以來，美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家憑借專門的地球模擬裝置，在全球氣候和環(huán)境變化問題的外交談判中占據(jù)主導(dǎo)地位。

如今，我國面向地球系統(tǒng)專用數(shù)值模擬裝置的建成將有利于扭轉(zhuǎn)這一局面。“我們要用自己的計算數(shù)據(jù)作為氣候與環(huán)境領(lǐng)域談判的依據(jù)，提升我國的國際話語權(quán)。”中國科學(xué)院院士、國家最高科學(xué)技術(shù)獎得主曾慶存在啟動儀式上指出。

2011年，中國科學(xué)院向國家申報建立“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”;2013年，這一項目被列入《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃(2012—2030年)》;2018年，建立“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”獲國家發(fā)改委批復(fù)，正式進(jìn)入建設(shè)實施階段。

新落成啟用的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置整體性能與國際先進(jìn)水平相當(dāng)，具備地球表層各圈層的模擬能力，能夠更全面地考慮地球系統(tǒng)的各種過程。地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置建設(shè)的“區(qū)域高精度環(huán)境模擬系統(tǒng)”

也將顯著提升我國應(yīng)對環(huán)境問題的能力，使我國防災(zāi)減災(zāi)水平躍升到新高度，并為建設(shè)“美麗中國”提供支撐。

未來，日地空間環(huán)境模式、大陸冰蓋模式和固體地球模式建設(shè)并逐步耦合到地球系統(tǒng)模式中，將促進(jìn)我國地球系統(tǒng)科學(xué)整體邁向國際一流水平。

為碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)實現(xiàn)提供科學(xué)依據(jù)

大氣所所長曹軍驥告訴記者，對溫室氣體的核算、未來升溫預(yù)估均需要包含完整圈層的地球系統(tǒng)模式的模擬研究作為支撐，而這正是“寰”的優(yōu)勢所在。

“寰”能夠更全面地考慮地球系統(tǒng)的各組成部分，特別是與地球生態(tài)系統(tǒng)和生物地球化學(xué)過程相關(guān)的模擬及其與氣候系統(tǒng)的相互作用，在此基礎(chǔ)上建立起“生態(tài)—氣溫—二氧化碳濃度—碳排放量”的清晰關(guān)系，從而減少1.5℃溫升目標(biāo)與碳排放量關(guān)系的不確定性。

曹軍驥指出， “寰”的建成為準(zhǔn)確預(yù)報極端天氣和氣候事件提供了可能。同時，具有區(qū)域高精度大氣污染模式分系統(tǒng)的“寰”，能夠模擬大氣中化學(xué)成分的排放、擴散、化學(xué)轉(zhuǎn)化等過程。不僅如此，“寰”還具備重金屬模擬能力、耦合源識別與追蹤技術(shù)，能夠做好污染物的“溯源”分析，從而提高大氣污染預(yù)測水平。

“還可以把裝置應(yīng)用到環(huán)境的治理和改造工程或者環(huán)境規(guī)劃中。”曾慶存指出，地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置的研究數(shù)據(jù)可以為我國的生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)，助力碳達(dá)峰、碳中和。

基于地球系統(tǒng)模擬裝置計算溫升目標(biāo)

地球系統(tǒng)模擬裝置又稱地球模擬實驗室，就是將模擬的地球放進(jìn)實驗室里。這里所說的地球并不是一個真實的地球，而是一個基于各種物理數(shù)學(xué)方程的數(shù)字化地球。

《巴黎協(xié)定》中提出的無論是1.5℃還是2℃溫升目標(biāo)，均是基于地球系統(tǒng)模擬裝置計算出來的。

作為綜合國力的體現(xiàn)，各國科學(xué)家都在積極研發(fā)自己的地球模擬實驗室。但只有美國、歐洲、日本、中國等少數(shù)國家和地區(qū)提交了地球系統(tǒng)模式，其中就包括由大氣所牽頭研發(fā)的地球系統(tǒng)模式CAS-ESM2.0。而CAS-ESM正是地球模擬實驗室“寰”的核心模式軟件。