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從空中俯瞰中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所密云園區(qū)。

圖為中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置項(xiàng)目計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)。

圖為中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置。本文圖片均為懷柔科學(xué)城東區(qū)供圖

一間實(shí)驗(yàn)室，囊括河流、巖石、冰川、生物等信息……甚至可以把地球“放”進(jìn)其中，這就是位于北京市密云區(qū)懷柔科學(xué)城東區(qū)的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置。

走進(jìn)這個(gè)地球模擬實(shí)驗(yàn)室的大門，科技感撲面而來(lái)：一條燈光閃爍、音響環(huán)繞的“時(shí)空隧道”，一個(gè)上演著“風(fēng)起云涌”的LED“模擬地球”，一面展示著地球各個(gè)圈層信息的屏幕……

就在這個(gè)可以重現(xiàn)地球過(guò)去、模擬地球現(xiàn)在甚至預(yù)測(cè)地球未來(lái)的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置不遠(yuǎn)處，已經(jīng)建成的深部資源探測(cè)技術(shù)裝備研發(fā)平臺(tái)，能夠?yàn)閲?guó)家資源能源發(fā)展戰(zhàn)略提供關(guān)鍵裝備技術(shù)支撐，北京大學(xué)懷密醫(yī)學(xué)中心項(xiàng)目也正在熱火朝天地建設(shè)中……在北京市東北部密云區(qū)的懷柔科學(xué)城東區(qū)，一個(gè)科創(chuàng)高地正拔地而起。

懷柔科學(xué)城是北京建設(shè)具有全球影響力的國(guó)際科技創(chuàng)新中心“三城一區(qū)”主平臺(tái)之一，是國(guó)家發(fā)改委、科技部聯(lián)合批復(fù)的北京懷柔綜合性國(guó)家科學(xué)中心的核心承載區(qū)，是我國(guó)建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和世界科技強(qiáng)國(guó)的重要支撐。2023年1月，懷柔科學(xué)城控制性詳細(xì)規(guī)劃批復(fù)，規(guī)劃范圍100.9平方公里，其中懷柔部分68.2平方公里，密云部分32.7平方公里，包括科學(xué)城東區(qū)和科學(xué)田園。

從地圖上看，懷柔科學(xué)城就像一個(gè)奔跑的巨人。近日，記者來(lái)到位于北京市密云區(qū)的懷柔科學(xué)城東區(qū)，近距離感受這片土地的科創(chuàng)力量。

“把地球裝進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”

“這個(gè)號(hào)稱‘把地球裝進(jìn)實(shí)驗(yàn)室’的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置，它的名字叫作‘寰’。作為面向地球系統(tǒng)科學(xué)的高性能模擬裝置，這是一個(gè)擁有強(qiáng)大功能的虛擬數(shù)字地球，也可以說(shuō)是地球的‘孿生兄弟’?！痹诘厍蚰M實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所相關(guān)科研人員介紹，通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)值計(jì)算，“寰”能夠重現(xiàn)地球的過(guò)去、模擬地球的現(xiàn)在，甚至預(yù)測(cè)地球的未來(lái)。無(wú)論是冰川、大氣、洋流，還是植被的變化，都逃不過(guò)它的“法眼”。

據(jù)了解，這一裝置是“十二五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，也是中國(guó)首個(gè)具有自主知識(shí)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(jì)，規(guī)模及綜合技術(shù)水平位于世界前列的專用大科學(xué)裝置，于2022年10月17日通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收正式開放運(yùn)行。

“你們看，這就是地球上的洋流信息，這是大氣環(huán)境信息，這是植被生態(tài)……”只見科研人員在屏幕上依次點(diǎn)擊選項(xiàng)，后面不停自轉(zhuǎn)的地球裝置上會(huì)立馬顯示出相應(yīng)的信息。洋流的變化、極地海冰的變化等均清晰呈現(xiàn)。

為什么要建設(shè)這樣一個(gè)虛擬數(shù)字地球？

地球未來(lái)的氣候如何變化，關(guān)乎全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，也是各國(guó)面臨的最緊迫的科學(xué)問(wèn)題之一。20世紀(jì)80年代，科學(xué)家提出了地球系統(tǒng)的概念，大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈五大圈層構(gòu)成了地球系統(tǒng)，各圈層之間彼此交錯(cuò)、相互影響，構(gòu)成了地球的演化。五大圈層中，任何一個(gè)圈層的變化，都可能引起一個(gè)地區(qū)甚至全球的氣候變化。通過(guò)什么方法來(lái)研究地球系統(tǒng)甚至預(yù)測(cè)未來(lái)地球氣候呢？以曾慶存院士為代表的科學(xué)家們經(jīng)過(guò)40多年攻堅(jiān)克難后，“寰”應(yīng)運(yùn)而生。

“寰”有一雙“慧眼”，它通過(guò)兩個(gè)應(yīng)用軟件系統(tǒng)——地球系統(tǒng)模式數(shù)值模擬系統(tǒng)、區(qū)域高精度環(huán)境模擬系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)全球高分辨率數(shù)值模擬。其中，大氣的精度為25公里，海洋的精度為10公里。在中國(guó)及周邊區(qū)域，環(huán)境模擬可達(dá)到全國(guó)3公里，重點(diǎn)區(qū)域達(dá)到1公里。這樣一來(lái)，“寰”就可以對(duì)我國(guó)自身的氣候和環(huán)境進(jìn)行加密的模擬分析。

軟件系統(tǒng)如此厲害，硬件系統(tǒng)自然也十分先進(jìn)。繼續(xù)往前走，就來(lái)到一個(gè)機(jī)房，里面即是“寰”擁有的超級(jí)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)——硅立方。

科研人員介紹，硅立方可提供峰值速度不低于1.5億億次/秒的計(jì)算速度。這是什么概念呢？它的1分鐘算力相當(dāng)于全球80億人同時(shí)用計(jì)算器不間斷計(jì)算4年。整個(gè)系統(tǒng)共有3000多個(gè)液冷計(jì)算節(jié)點(diǎn)，相互之間采用高速網(wǎng)絡(luò)連接，帶寬高達(dá)100Gbps。同時(shí)，硅立方還提供了126pb的存儲(chǔ)空間，能夠裝下約20個(gè)國(guó)家圖書館的館藏?cái)?shù)據(jù)，用來(lái)保存各個(gè)圈層的觀測(cè)及模擬資料。

在國(guó)際上，利用高精度數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)數(shù)月至一年后目標(biāo)區(qū)域的冷暖旱澇，已是氣候預(yù)測(cè)研究的主流方向?！板尽蓖ㄟ^(guò)研究五大圈層的物理、化學(xué)、生物過(guò)程及其相互作用，不斷地智能推演分析，探究上述相互作用對(duì)地球系統(tǒng)整體和我國(guó)區(qū)域環(huán)境的影響。

例如，厄爾尼諾與拉尼娜現(xiàn)象是氣候系統(tǒng)在年際尺度上最顯著的變化信號(hào)，在北半球冬季達(dá)到成熟位相，對(duì)次年夏季我國(guó)東部的氣候有著重要影響，如夏季風(fēng)強(qiáng)度和臺(tái)風(fēng)活動(dòng)等，是跨季節(jié)氣候預(yù)測(cè)的主要信號(hào)來(lái)源。像海平面上升、冰凍圈變化等其他圈層對(duì)增暖的可能響應(yīng)，需要包含多圈層的地球系統(tǒng)模式的模擬研究作為支撐，尤其是碳氮循環(huán)、生物地球化學(xué)過(guò)程的模擬，而這正是“寰”的優(yōu)勢(shì)所在。

“寰”不僅可以更快捷、更可靠地預(yù)知未來(lái)天氣，為全面提高我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)水平提供科技支撐，還可以對(duì)溫室氣體進(jìn)行核算，預(yù)估未來(lái)升溫幅度。在全球變暖、極端天氣頻發(fā)的背景下，面對(duì)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、高溫、暴雨、干旱和寒潮，它能夠捕捉更全面的預(yù)測(cè)信號(hào)，提高防災(zāi)預(yù)警水平。就連細(xì)微的污染物也逃不過(guò)“寰”的雙眼。它能夠模擬大氣中化學(xué)成分的排放、擴(kuò)散、化學(xué)轉(zhuǎn)化等過(guò)程，對(duì)污染物進(jìn)行溯源分析，提高大氣污染預(yù)測(cè)水平。

科研人員表示，“寰”就像是一個(gè)“最強(qiáng)大腦”，可以快速解出表征地球系統(tǒng)復(fù)雜方程組，將為我國(guó)應(yīng)對(duì)區(qū)域自然災(zāi)害和環(huán)境問(wèn)題、開展氣候與環(huán)境領(lǐng)域談判、實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)提供強(qiáng)有力的科技支撐。

創(chuàng)新要素加速集聚

懷柔科學(xué)城東區(qū)工作人員張雪云介紹，懷柔科學(xué)城東區(qū)戰(zhàn)略定位聚焦在“地球系統(tǒng)科學(xué)”和“生命科學(xué)”兩個(gè)學(xué)科方向。

目前，聚焦“地球系統(tǒng)科學(xué)”布局的科學(xué)設(shè)施項(xiàng)目快速推進(jìn)。地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置全面開放共享，有力服務(wù)國(guó)內(nèi)外84家科研單位開展科學(xué)研究，重要科技成果入選“中國(guó)十大氣象科技進(jìn)展”。中國(guó)科學(xué)院4個(gè)科教基礎(chǔ)設(shè)施和清華大學(xué)交叉研究平臺(tái)項(xiàng)目進(jìn)入科研狀態(tài)，計(jì)劃今年全面運(yùn)行。中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站國(guó)家水生態(tài)環(huán)境智慧監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)項(xiàng)目正在推進(jìn)建設(shè)。

聚焦“生命科學(xué)”布局的北京大學(xué)懷密醫(yī)學(xué)中心項(xiàng)目已于2023年12月8日開工建設(shè)，是密云全域發(fā)展格局的“點(diǎn)睛之筆”。在此基礎(chǔ)上，密云區(qū)與北大醫(yī)學(xué)深化合作，成立生命健康產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，正在積極打造“北大醫(yī)學(xué)城”“生命健康科學(xué)城”“密云生命健康之城”。

從地圖上總覽懷柔科學(xué)城東區(qū)，發(fā)展格局十分清晰。北部基礎(chǔ)創(chuàng)新集聚區(qū)，聚焦“地球系統(tǒng)科學(xué)”已建設(shè)“1+5”科學(xué)設(shè)施；中部更新活力提升區(qū)，圍繞創(chuàng)新轉(zhuǎn)化及服務(wù)配套規(guī)劃建設(shè)云西活力中心；南部綜合創(chuàng)新發(fā)展區(qū)，聚焦“生命科學(xué)”正在建設(shè)北京大學(xué)懷密醫(yī)學(xué)中心，配套建設(shè)北京第二實(shí)驗(yàn)學(xué)校、集租房等公共服務(wù)設(shè)施，規(guī)劃建設(shè)統(tǒng)軍莊站軌道微中心（云西智港）。

未來(lái)，懷柔科學(xué)城東區(qū)將成為頂尖科研機(jī)構(gòu)及大學(xué)集聚，“地球系統(tǒng)科學(xué)”和“生命科學(xué)”蓬勃發(fā)展，創(chuàng)新鏈條完整、高端要素集聚、生活服務(wù)完善、文化魅力突出的創(chuàng)新提升發(fā)展示范區(qū)。

（原載于《人民日?qǐng)?bào)海外版》 2024-10-29?第05版）