从空中俯瞰中国科学院大气物理研究所密云园区。
图为中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟装置项目计算机硬件平台。
图为中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟装置。本文图片均为怀柔科学城东区供图
一间实验室，囊括河流、岩石、冰川、生物等信息……甚至可以把地球“放”进其中，这就是位于北京市密云区怀柔科学城东区的地球系统数值模拟装置。
走进这个地球模拟实验室的大门，科技感扑面而来：一条灯光闪烁、音响环绕的“时空隧道”，一个上演着“风起云涌”的LED“模拟地球”，一面展示着地球各个圈层信息的屏幕……
就在这个可以重现地球过去、模拟地球现在甚至预测地球未来的地球系统数值模拟装置不远处，已经建成的深部资源探测技术装备研发平台，能够为国家资源能源发展战略提供关键装备技术支撑，北京大学怀密医学中心项目也正在热火朝天地建设中……在北京市东北部密云区的怀柔科学城东区，一个科创高地正拔地而起。
怀柔科学城是北京建设具有全球影响力的国际科技创新中心“三城一区”主平台之一，是国家发改委、科技部联合批复的北京怀柔综合性国家科学中心的核心承载区，是我国建设创新型国家和世界科技强国的重要支撑。2023年1月，怀柔科学城控制性详细规划批复，规划范围100.9平方公里，其中怀柔部分68.2平方公里，密云部分32.7平方公里，包括科学城东区和科学田园。
从地图上看，怀柔科学城就像一个奔跑的巨人。近日，记者来到位于北京市密云区的怀柔科学城东区，近距离感受这片土地的科创力量。
“把地球装进实验室”
“这个号称‘把地球装进实验室’的地球系统数值模拟装置，它的名字叫作‘寰’。作为面向地球系统科学的高性能模拟装置，这是一个拥有强大功能的虚拟数字地球，也可以说是地球的‘孪生兄弟’。”在地球模拟实验室，中国科学院大气物理研究所相关科研人员介绍，通过超级计算机进行大规模的数值计算，“寰”能够重现地球的过去、模拟地球的现在，甚至预测地球的未来。无论是冰川、大气、洋流，还是植被的变化，都逃不过它的“法眼”。
据了解，这一装置是“十二五”国家重大科技基础设施项目，也是中国首个具有自主知识产权、以地球系统各圈层数值模拟软件为核心，软、硬件协同设计，规模及综合技术水平位于世界前列的专用大科学装置，于2022年10月17日通过国家验收正式开放运行。
“你们看，这就是地球上的洋流信息，这是大气环境信息，这是植被生态……”只见科研人员在屏幕上依次点击选项，后面不停自转的地球装置上会立马显示出相应的信息。洋流的变化、极地海冰的变化等均清晰呈现。
为什么要建设这样一个虚拟数字地球？
地球未来的气候如何变化，关乎全球经济社会可持续发展，也是各国面临的最紧迫的科学问题之一。20世纪80年代，科学家提出了地球系统的概念，大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈五大圈层构成了地球系统，各圈层之间彼此交错、相互影响，构成了地球的演化。五大圈层中，任何一个圈层的变化，都可能引起一个地区甚至全球的气候变化。通过什么方法来研究地球系统甚至预测未来地球气候呢？以曾庆存院士为代表的科学家们经过40多年攻坚克难后，“寰”应运而生。
“寰”有一双“慧眼”，它通过两个应用软件系统——地球系统模式数值模拟系统、区域高精度环境模拟系统，来实现全球高分辨率数值模拟。其中，大气的精度为25公里，海洋的精度为10公里。在中国及周边区域，环境模拟可达到全国3公里，重点区域达到1公里。这样一来，“寰”就可以对我国自身的气候和环境进行加密的模拟分析。
软件系统如此厉害，硬件系统自然也十分先进。继续往前走，就来到一个机房，里面即是“寰”拥有的超级计算机硬件系统——硅立方。
科研人员介绍，硅立方可提供峰值速度不低于1.5亿亿次/秒的计算速度。这是什么概念呢？它的1分钟算力相当于全球80亿人同时用计算器不间断计算4年。整个系统共有3000多个液冷计算节点，相互之间采用高速网络连接，带宽高达100Gbps。同时，硅立方还提供了126pb的存储空间，能够装下约20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。
在国际上，利用高精度数值模拟，预测数月至一年后目标区域的冷暖旱涝，已是气候预测研究的主流方向。“寰”通过研究五大圈层的物理、化学、生物过程及其相互作用，不断地智能推演分析，探究上述相互作用对地球系统整体和我国区域环境的影响。
例如，厄尔尼诺与拉尼娜现象是气候系统在年际尺度上最显著的变化信号，在北半球冬季达到成熟位相，对次年夏季我国东部的气候有着重要影响，如夏季风强度和台风活动等，是跨季节气候预测的主要信号来源。像海平面上升、冰冻圈变化等其他圈层对增暖的可能响应，需要包含多圈层的地球系统模式的模拟研究作为支撑，尤其是碳氮循环、生物地球化学过程的模拟，而这正是“寰”的优势所在。
“寰”不仅可以更快捷、更可靠地预知未来天气，为全面提高我国短期气候预测水平提供科技支撑，还可以对温室气体进行核算，预估未来升温幅度。在全球变暖、极端天气频发的背景下，面对强台风、高温、暴雨、干旱和寒潮，它能够捕捉更全面的预测信号，提高防灾预警水平。就连细微的污染物也逃不过“寰”的双眼。它能够模拟大气中化学成分的排放、扩散、化学转化等过程，对污染物进行溯源分析，提高大气污染预测水平。
科研人员表示，“寰”就像是一个“最强大脑”，可以快速解出表征地球系统复杂方程组，将为我国应对区域自然灾害和环境问题、开展气候与环境领域谈判、实现“碳中和”目标提供强有力的科技支撑。
创新要素加速集聚
怀柔科学城东区工作人员张雪云介绍，怀柔科学城东区战略定位聚焦在“地球系统科学”和“生命科学”两个学科方向。
目前，聚焦“地球系统科学”布局的科学设施项目快速推进。地球系统数值模拟装置全面开放共享，有力服务国内外84家科研单位开展科学研究，重要科技成果入选“中国十大气象科技进展”。中国科学院4个科教基础设施和清华大学交叉研究平台项目进入科研状态，计划今年全面运行。中国环境监测总站国家水生态环境智慧监测业务与实验平台项目正在推进建设。
聚焦“生命科学”布局的北京大学怀密医学中心项目已于2023年12月8日开工建设，是密云全域发展格局的“点睛之笔”。在此基础上，密云区与北大医学深化合作，成立生命健康产业联盟，正在积极打造“北大医学城”“生命健康科学城”“密云生命健康之城”。
从地图上总览怀柔科学城东区，发展格局十分清晰。北部基础创新集聚区，聚焦“地球系统科学”已建设“1+5”科学设施；中部更新活力提升区，围绕创新转化及服务配套规划建设云西活力中心；南部综合创新发展区，聚焦“生命科学”正在建设北京大学怀密医学中心，配套建设北京第二实验学校、集租房等公共服务设施，规划建设统军庄站轨道微中心（云西智港）。
未来，怀柔科学城东区将成为顶尖科研机构及大学集聚，“地球系统科学”和“生命科学”蓬勃发展，创新链条完整、高端要素集聚、生活服务完善、文化魅力突出的创新提升发展示范区。（本报记者 叶子）
《人民日报海外版》（2024年10月29日 第05版）
