從空中俯瞰中國科學院大氣物理研究所密雲園區。

圖為中國科學院大氣物理研究所地球系統數值模擬裝置項目計算機硬體平臺。

圖為中國科學院大氣物理研究所地球系統數值模擬裝置。

本文圖片均為懷柔科學城東區供圖

　　一間實驗室，囊括河流、岩石、冰川、生物等信息……甚至可以把地球“放”進其中，這就是位於北京市密雲區懷柔科學城東區的地球系統數值模擬裝置。

　　走進這個地球模擬實驗室的大門，科技感撲面而來：一條燈光閃爍、音響環繞的“時空隧道”，一個上演著“風起雲湧”的LED“模擬地球”，一面展示著地球各個圈層信息的螢幕……

　　就在這個可以重現地球過去、模擬地球現在甚至預測地球未來的地球系統數值模擬裝置不遠處，已經建成的深部資源探測技術裝備研發平臺，能夠為國家資源能源發展戰略提供關鍵裝備技術支撐，北京大學懷密醫學中心項目也正在熱火朝天地建設中……在北京市東北部密雲區的懷柔科學城東區，一個科創高地正拔地而起。

　　懷柔科學城是北京建設具有全球影響力的國際科技創新中心“三城一區”主平臺之一，是國家發改委、科技部聯合批復的北京懷柔綜合性國家科學中心的核心承載區，是我國建設創新型國家和世界科技強國的重要支撐。2023年1月，懷柔科學城控制性詳細規劃批復，規劃範圍100.9平方公里，其中懷柔部分68.2平方公里，密雲部分32.7平方公里，包括科學城東區和科學田園。

　　從地圖上看，懷柔科學城就像一個奔跑的巨人。近日，記者來到位於北京市密雲區的懷柔科學城東區，近距離感受這片土地的科創力量。

　　“把地球裝進實驗室”

　　“這個號稱‘把地球裝進實驗室’的地球系統數值模擬裝置，它的名字叫作‘寰’。作為面向地球系統科學的高性能模擬裝置，這是一個擁有強大功能的虛擬數字地球，也可以説是地球的‘孿生兄弟’。”在地球模擬實驗室，中國科學院大氣物理研究所相關科研人員介紹，通過超級計算機進行大規模的數值計算，“寰”能夠重現地球的過去、模擬地球的現在，甚至預測地球的未來。無論是冰川、大氣、洋流，還是植被的變化，都逃不過它的“法眼”。

　　據了解，這一裝置是“十二五”國家重大科技基礎設施項目，也是中國首個具有自主知識産權、以地球系統各圈層數值模擬軟體為核心，軟、硬體協同設計，規模及綜合技術水準位於世界前列的專用大科學裝置，于2022年10月17日通過國家驗收正式開放運行。

　　“你們看，這就是地球上的洋流信息，這是大氣環境信息，這是植被生態……”只見科研人員在螢幕上依次點擊選項，後面不停自轉的地球裝置上會立馬顯示出相應的信息。洋流的變化、極地海冰的變化等均清晰呈現。

　　為什麼要建設這樣一個虛擬數字地球？

　　地球未來的氣候如何變化，關乎全球經濟社會可持續發展，也是各國面臨的最緊迫的科學問題之一。20世紀80年代，科學家提出了地球系統的概念，大氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈五大圈層構成了地球系統，各圈層之間彼此交錯、相互影響，構成了地球的演化。五大圈層中，任何一個圈層的變化，都可能引起一個地區甚至全球的氣候變化。通過什麼方法來研究地球系統甚至預測未來地球氣候呢？以曾慶存院士為代表的科學家們經過40多年攻堅克難後，“寰”應運而生。

　　“寰”有一雙“慧眼”，它通過兩個應用軟體系統——地球系統模式數值模擬系統、區域高精度環境模擬系統，來實現全球高解析度數值模擬。其中，大氣的精度為25公里，海洋的精度為10公里。在中國及周邊區域，環境模擬可達到全國3公里，重點區域達到1公里。這樣一來，“寰”就可以對我國自身的氣候和環境進行加密的模擬分析。

　　軟體系統如此厲害，硬體系統自然也十分先進。繼續往前走，就來到一個機房，裏面即是“寰”擁有的超級計算機硬體系統——硅立方。

　　科研人員介紹，硅立方可提供峰值速度不低於1.5億億次/秒的計算速度。這是什麼概念呢？它的1分鐘算力相當於全球80億人同時用計算器不間斷計算4年。整個系統共有3000多個液冷計算節點，相互之間採用高速網絡連接，頻寬高達100Gbps。同時，硅立方還提供了126pb的存儲空間，能夠裝下約20個國家圖書館的館藏數據，用來保存各個圈層的觀測及模擬資料。

　　在國際上，利用高精度數值模擬，預測數月至一年後目標區域的冷暖旱澇，已是氣候預測研究的主流方向。“寰”通過研究五大圈層的物理、化學、生物過程及其相互作用，不斷地智慧推演分析，探究上述相互作用對地球系統整體和我國區域環境的影響。

　　例如，厄爾尼諾與拉尼娜現象是氣候系統在年際尺度上最顯著的變化信號，在北半球冬季達到成熟位相，對次年夏季我國東部的氣候有著重要影響，如夏季風強度和颱風活動等，是跨季節氣候預測的主要信號來源。像海平面上升、冰凍圈變化等其他圈層對增暖的可能響應，需要包含多圈層的地球系統模式的模擬研究作為支撐，尤其是碳氮循環、生物地球化學過程的模擬，而這正是“寰”的優勢所在。

　　“寰”不僅可以更快捷、更可靠地預知未來天氣，為全面提高我國短期氣候預測水準提供科技支撐，還可以對溫室氣體進行核算，預估未來升溫幅度。在全球變暖、極端天氣頻發的背景下，面對強颱風、高溫、暴雨、乾旱和寒潮，它能夠捕捉更全面的預測信號，提高防災預警水準。就連細微的污染物也逃不過“寰”的雙眼。它能夠模擬大氣中化學成分的排放、擴散、化學轉化等過程，對污染物進行溯源分析，提高大氣污染預測水準。

　　科研人員表示，“寰”就像是一個“最強大腦”，可以快速解出表徵地球系統複雜方程組，將為我國應對區域自然災害和環境問題、開展氣候與環境領域談判、實現“碳中和”目標提供強有力的科技支撐。

　　創新要素加速集聚

　　懷柔科學城東區工作人員張雪雲介紹，懷柔科學城東區戰略定位聚焦在“地球系統科學”和“生命科學”兩個學科方向。

　　目前，聚焦“地球系統科學”佈局的科學設施項目快速推進。地球系統數值模擬裝置全面開放共享，有力服務國內外84家科研單位開展科學研究，重要科技成果入選“中國十大氣象科技進展”。中國科學院4個科教基礎設施和清華大學交叉研究平臺項目進入科研狀態，計劃今年全面運行。中國環境監測總站國家水生態環境智慧監測業務與實驗平臺項目正在推進建設。

　　聚焦“生命科學”佈局的北京大學懷密醫學中心項目已于2023年12月8日開工建設，是密雲全域發展格局的“點睛之筆”。在此基礎上，密雲區與北大醫學深化合作，成立生命健康産業聯盟，正在積極打造“北大醫學城”“生命健康科學城”“密雲生命健康之城”。

　　從地圖上總覽懷柔科學城東區，發展格局十分清晰。北部基礎創新集聚區，聚焦“地球系統科學”已建設“1+5”科學設施；中部更新活力提升區，圍繞創新轉化及服務配套規劃建設雲西活力中心；南部綜合創新發展區，聚焦“生命科學”正在建設北京大學懷密醫學中心，配套建設北京第二實驗學校、集租房等公共服務設施，規劃建設統軍莊站軌道微中心（雲西智港）。

　　未來，懷柔科學城東區將成為頂尖科研機構及大學集聚，“地球系統科學”和“生命科學”蓬勃發展，創新鏈條完整、高端要素集聚、生活服務完善、文化魅力突出的創新提升發展示範區。（記者 葉子）