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男足世界杯预选赛赛程2022(www.9cx.net):把地球搬进实验室,大科学装置“寰”若何事情?

admin2021-07-2966

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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完工启用,这是我国首个研制乐成的地球系统数值模拟大科学装置。

“地球系统数值模拟装置”的盘算机硬件平台“硅立方”正式亮相,超级盘算机正在运转。新京报记者 侯少卿 摄

展厅中悬挂着直径3米、清晰度到达5K的LED球形屏,装置模拟实验的部门效果会通过球体举行可视化直观展示。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,规模及综合手艺水平位于天下前线的专用地球系统数值模拟装置。2018年经国家发改委批复,项目周全开工建设,其焦点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,集成耦合了包罗大气、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、生物圈的演变纪律,对地球的已往举行反演、对现在举行考察、对未来举行展望。这套软件一天可以盘算出地球的大气圈、水圈、岩土圈、生物圈等多个圈层10年左右的转变。

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、清晰度到达5K的LED球形屏,装置模拟实验的部门效果会通过球体举行可视化直观展示。“现在,球屏展示的是大气模式中模拟出来的全球云的漫衍,画面每一帧代显示实中一个小时的情形。”大气物理所副研究员张贺先容,装置还可以模拟出差异时期天气天气、海洋环境、大气环境、极地海冰、植被生态的情形,时间跨度到达数百年。

“地球系统数值模拟装置”的盘算机硬件平台“硅立方”今天也正式亮相。“硅立方”是一个大型机房,2-4层的超级盘算机正在运转,一层为存贮装置。“以往的超级盘算机都是一层平铺的,这个是垂直放置的,以是叫硅立方。云云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天气转变、生态环境建设、双碳愿景目的、防灾减灾(如天气预告)等国家重大需求,为国际天气与环境谈判提供有力的科学支持。

观众旅行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年月,国际科学界提出地球科学应该怎样生长的问题。那时天下上有两种科学研究方式,一种是理论探讨,即理论剖析、逻辑推算,理论剖析需要实验去验证,验证准确了才是可靠的理论;另一种是实验剖析。

但对于地球科学,做实验是不现实的。做实验有许多详细条件,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,需要知足的条件太多,没设施做到所有相符。此外,做实验有时刻要损坏一个“环境”,像生物科学可通过剖解来实现,但对全地球却没法开展类似实验,由于地球环境不容损坏。

那时正值电子盘算机泛起,于是国际上提出了第三种科学研究的设施,叫数值模拟,或称数值试验。这一方式简朴来说,就是提出一个理论后,要验证这个理论对纰谬,就需要确立数学模子并行使电子盘算机求解,把经由理论模子盘算后的数值和现实对比,来证实理论展望是不是和现实的一致。若是这个数学模子与现实相符,就可用来做模拟实验。

地球系统模式软件是庞大的巨系统模子,需要多学科慎密联系,这是大气科学、盘算科学和盘算机手艺融合的一个典型。

释疑2:地球系统模拟装置是若何事情的

地球上气态的空气、液态的江河湖海、固态的山石冰雪、不停演化的生命体……这些纷繁万物,可以简朴地归为五大圈层: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转变的同时,也在对自然界的履历举行总结。

基于科学的提高,科研职员已经能够总结出一部门自然转变的物理纪律,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盘算机代码,就获得了对应于各个圈层的代码聚集,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、延续方程、热力学能量方程的代码聚集。

科技职员首先构建起形貌单个圈层的模式,再通过“耦合器”将各个独自运行的模式有机地团结在一起。耦合器就像一个重大工厂的交流车间,其中举行着各圈层间的物质、能量交流,从而把大气、海洋、陆面等模式耦合起来,在最洪水平上模拟出自然界的演变历程。

获得了数字化的“地球”后,输入某一时刻的观察数据,在超级盘算机举行大规模的数值盘算,科研职员就能够推演地球差异圈层的转变,由此重现地球的已往、模拟地球的现在、展望地球的未来,从而举行有针对性的“地球试验”。

释疑3:“寰”若何预警极端天气、助力防灾减灾

在全球变暖的天气靠山下,已往三十年间有关极端天气事宜及其对人类生涯影响的报道不停增添,这些事宜包罗强台风、高温、暴雨、干旱和寒潮。这样的极端天气事宜的空间尺度是几公里,时间尺度在几小时内。要想准确捕捉这些天气历程,就需要提高模式的空间分辨率,但也意味着必须承载随之增添的重大盘算量。

配备高性能盘算机硬件的“寰”建成后,行使加倍细腻和完善的地球系统模式,“寰”能够捕捉更周全的展望信号,以提高我国防灾预警水平、增强防灾减灾能力。

全球尺度的模拟实验,是一项具有宽阔时间尺度的超级盘算工程。“寰”接纳的国产芯片为超庞大的地球系统模式提供了超给力的算力支持。其1分钟的算力相当于全球72亿人同时用盘算器不中止盘算4年。

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“硅立方”数据库拥有80PB的存储空间,可以装下约13个国家图书馆的馆藏数据,用来保留各个圈层的观察及模拟资料。

释疑4:“寰”若作甚碳中和提供支持

自19世纪末以来,地球的平均地表温度上升了约1.18℃,大多数变暖历程发生在已往40年里,其中2016年和2020年是有纪录以来最热的两年。全球温度的升高意味着人类将面临更多极端灾难天气:极端热浪、极端干旱、极端强对流天气以及更为凶猛的台风袭击等。

2015年,《巴黎协定》提出让所有国家配合致力于实现相同的耐久目的:增强对天气转变所发生的威胁做出全球性回应,到本世纪末,将全球平均温升保持在相对于工业化前水平2℃以内,并为全球平均温升控制在1.5℃以内支出起劲。

无论是1.5℃照样2℃温升目的,均是基于全球先进的地球模拟实验室盘算出来的――将模拟的“地球”放进实验室里,看看在差异二氧化碳排放量造成的全球变暖下,“地球”上自然系统的响应水平若何,最终确定一个合适的温升目的。这涉及到对全球碳源汇收支的科学评估,对碳氮循环历程、生物地球化学历程的全球尺度模拟,是一项具有宽阔时间尺度的超级盘算工程。

我国答应,二氧化碳排放力争于2030年前到达峰值,起劲争取2060年前实现碳中和。“寰”具有历程完善的地球系统模式以及面向地球科学的高性能盘算机系统,能够实现高精度的数值模拟盘算,以应对宽阔时空尺度上的天气系统的非线性盘算。

“寰”能够更周全地思量地球系统的各个组成部门,稀奇是与地球生态系统和生物地球化学历程的相关模拟及其与天气系统的相互作用,在此基础上确立起“生态-气温-CO2浓度-碳排放量”的清晰关系,对温室气体核算、未来升温预估提供有力的模拟支持。

好比陆地系统作为全球最主要的碳汇之一,其作用在制订“碳中和”决议中不能忽视。“寰”使用的新版全球植被动力学模式能对全球植被漫衍和碳通量举行准确的模拟,从而更准确地掌握陆地生态系统对全球转变的响应和反馈。

因此,“寰”的建成和使用将为我国制订“碳中和”决媾和实现“1.5℃温升目的”提供强有力的科技支持。

释疑5:“寰”若何应对污染

“寰”这个“地球模拟实验室”内有区域高精度大气污染模式分系统,该分系统拥有海内首个全球多尺度嵌套的、具有完全的自主知识产权的大气复合污染传输模式。

它能够模拟大气中化学因素的排放、扩散、对流、化学转化、干湿沉降等历程,模拟臭氧、氮氧化物等5气体和沙尘、海盐、硫酸盐、硝酸盐、黑碳、有机碳等气溶胶因素的时空转变。

“寰”能够为沙尘暴、臭氧、酸雨、灰霾、重金属沉降等大气环境污染研究保驾护航,举行空气污染预告预警、评估污染调控,并进一步探讨天气-污染排放-区域空气质量相互作用。

它还接纳全球多尺度嵌套,空间分辨率跨度从几百公里到几公里,同时具备重金属模拟能力、耦合源识别与追踪手艺等特点,能够做好污染物“溯源”剖析。“寰”模拟的中国区域的空间分辨率提升到了3公里,高分辨率模拟融合观察数据,能够大大地提高我国大气污染展望预警的准确性。

释疑6:现在其他国家是否有地球模拟装置“寰”处于什么水平?

一些蓬勃国家已建成专门的地球模拟装置,从而在全球天气和环境转变问题的外攀谈判中占有主导职位。美国地球模拟器Cheyenne(夏延)主导IPCC天气转变预估试验讲述的撰写等,耐久天下领先。日内陆球模拟器京K推动日内陆球模拟水平从天下中等水平进入天下前线。欧盟正在投资10亿欧元建设“活地球模拟器”。

“我们要用自己的盘算数据作为天气与环境领域谈判的依据,提升我国的国际话语权”,国家最高科学手艺奖得主、中国科学院院士曾庆存说。现在,我国面向地球系统专用数值模拟装置的建成将有利于扭转这一事态。

我国地球系统数值模拟装置的大气模式水中分辨率(实为网格距)可达25公里,海洋模式可达10公里,能够到达天下先进水平。

释疑7:“寰”建设历程中有何挑战和突破?

据大气物理所研究员朱江先容,“寰”的建设突破一系列卡脖子问题,提前1年半完工启用,实现“早建成、早服务”。

那时开端设计方案中接纳英特尔处置器,在得知我国国产芯片取得重大希望后,为了应对潜在的卡脖子风险,建设单元的科技职员在3个月内对国产芯片举行了麋集测试,在兼容性、盘算效率等一系列方面取得突破,武断决议接纳国产芯片的手艺方案。

“国产芯片自主可控,同时也需要不停优化,那时我们没日没夜举行了大量的测试。”他说,一年后,美国将我国所有高性能盘算厂商列入实体清单。接纳国产芯片阻止了由于卡脖子问题导致的装置建设延期等严重结果。

大气所研究员周广庆称,“寰”的软件本质是用盘算机求解最庞大的方程,科研职员在软件并行盘算上也做了大量事情,为此科学家支出了很大的辛勤。

释疑8:“寰”未来有何设计?

据大气物理所所长曹军骥先容,“寰”预计2022年通过验收后正式建成,实现开放共享与服务。作为怀柔科学城北京国家综合科学中央首个完工的大科学装置,在原始创新、人才汇聚等方面充实行展作用,推动北京市气象信息产业园的建设。

周广庆先容,现在装置更集中在地球外面圈层研究,由于人类生涯在地球外面。未来将耦合更多的分系统,研究“入地上天”的深层地球,把地幔热力历程、大陆板块漂移、地震、相近空间大气等思量进来。

新京报记者 张璐 摄影记者 侯少卿

编辑 樊一婧 校对 吴兴发