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100多亿年前，一次大爆炸，让宇宙开始了无限膨胀，物质、时间、空间由此诞生，群星随之闪耀。在浩渺的宇宙中，一颗蔚蓝色的星球被特别眷顾，适宜的温度、光照、湿度让生命得以孕育滋养。
岁月更迭，四季轮回，蓝色星球上的大气、海洋、陆地、植被等相互作用、彼此影响，构造着我们正在生活着的家园。
那么，这一切究竟是如何发生的？过去发生的一切又给今天的我们带来了怎样的启发？
为了对这些问题作出解答，科学家们把地球“搬”进了实验室。2021年6月23日，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落成启用。
解读地球的过去、观察地球的现在、预测地球的未来，一切都不再只是梦想。
圆梦时刻
怀柔科学城东区，建筑面积达2.4万平方米的地球系统数值模拟大科学装置静静矗立。楼内展厅，直径3米的大球上“风起云涌”，模拟展示着不同时期大气、海洋、植被状况；5层高的超级计算机“硅立方”是大科学装置的得力助手，置身其中，科技感和未来感扑面而来。
6月23日，这里高朋满座，一片喜气洋洋——历时近三年，地球系统数值模拟大科学装置正式宣告落成。这也是我国首个研制成功的地球系统数值模拟大科学装置。
来宾中，一位白发老人被簇拥在中间，脸上有欣慰也有自豪。他是曾庆存，中国科学院院士、国家最高科学技术奖得主，也是装置的发起人之一。装置的建设是老人近年来最牵挂的事情，只要身体允许，曾庆存会准时出现在课题组的各种讨论会上。他多次表示，“等建成了，我一定要去现场看一看。”
一朝梦圆
不过，任何大科学装置的落成从来都不是一蹴而就，“寰”的建设也是如此——
2005年，曾庆存就初步提出了“地球系统模式”的设想。
2011年，中国科学院向国家申报建立“地球系统数值模拟装置”。
2012年，在中国科学院大气物理研究所召开的“地球系统模拟科学和技术”发展战略研讨会上，包括17位院士在内的国内40多个单位的100多位专家达成共识，呼吁国家尽快启动“地球系统数值模拟器”的建设。
2013年3月，国务院印发的《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012-2030年）》提出，在地球系统与环境科学领域，要“建设地球系统数值模拟装置，支撑气候变化、地球系统及各层圈过程模拟研究，认识地球环境过程基本规律，提高预测环境变化和重大灾害的能力”。
经过多轮论证后，该装置获国家发改委批复，2018年正式进入建设实施阶段，科学家们终于把地球“搬”进了实验室。
为什么要对地球进行模拟？曾庆存解释，上世纪60年代，国际科学界提出地球科学应该怎样发展的问题。当时世界上有两种科学研究方法：一种是理论探讨，即理论分析、逻辑推算，理论分析需要实验去验证，验证正确了才是可靠的理论；另一种是实验分析。
对于地球科学，做实验显然是不现实的。一方面，做实验有很多限定条件，要做关于地球的实验，没办法符合全部条件；另一方面，做实验有时候要破坏一个“环境”，而地球环境不容破坏。
当时电子计算机出现了，于是国际上提出了第三种科学研究的办法，称为“数值模拟”或“数值试验”。简单来说，就是通过建立数学模型，利用电子计算机求解，把经过理论模型计算后的数值和实际对比，来证明理论预测是不是和实际的一致。如果这个数学模型与实际相符，就可用来进行模拟试验。
“我曾在中国科学院学部大会上两次提出地球科学发展必须使用数值模拟的方法，算是最早提出这一观点的人。”曾庆存曾这样追溯。
随着科学技术的进步，数值模拟的发展已今非昔比，模式系统已经由单一的大气模式，逐步实现了包括海洋、陆地、海冰、植被等多圈层分量模式的耦合。
“寰”就是这样一个集大成者
江河湖海、山川冰石、葳蕤草木……纷繁万物，归根结底，分属大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈五大圈层；各圈层遵循着大自然精妙的规律运转。要对地球系统进行数值模拟，也就意味着，要在抽丝剥茧中找到这个规律，并用数学公式将其定量地表述出来，还要转化成计算机能看懂的代码。这就是科学家所谓的“模式”。
为真正实现这一点，数十年来，无数科学家孜孜求索着。
上世纪60年代，正在苏联留学的曾庆存从单一的大气圈入手，将理论中的数值模拟研究推进重要一步。“那是一套比较简单的大气数值模式，能在小范围内预报出短时间内的天气情况。”中国科学院大气物理研究所副研究员张贺介绍，到了上世纪80年代，曾庆存又带领团队设计了一套全球尺度的大气环流模式，在此基础上，后来人不断对其升级。2003年，张贺来到大气所成为曾庆存的学生，他博士期间的主要精力都投入到第四代大气环流模式的设计研发中。
然而，这并不是终点
要研究长时间跨度的气候变化问题，还需要将地球系统中对气候状态变化有影响的环境生态等都考虑在内，并计算它们之间的相互作用，这就必须建立一个更复杂的地球系统模型。21世纪初，国际上的研究也开始从气候系统模式向地球系统模式过渡。
“前者仅考虑大气、海洋、陆面等气候系统各圈层的模拟，后者则进一步考虑了碳氮循环、生物地球化学过程等，对各分系统之间的耦合要求也变得更高。”张贺举例，比如，地球系统模型会将气溶胶、二氧化碳的循环以及植被等因素都考虑在内。“植被和气候之间是有相互作用的，气候变化了，植被随之发生变化；植被本身对气候也有反馈，有植被的地面与裸地面对太阳的反射率是不一样的，这反过来也会影响气候。”
作为“寰”的“核心大脑”，由大气所自主研发的地球系统模式，集成耦合了包含大气、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，能够模拟大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈，打造出一个相对完整的数字版“孪生地球”。不久的将来，系统还将进一步耦合空间天气、大陆冰川和固体地球模块，地球系统模拟将扩展到临近空间和固体地球领域。
崭露头角
让人欣喜的是，“核心大脑”已经开始在国际舞台上崭露头角。
2021年8月9日，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布第六次评估报告的第一工作组报告。报告预估，在未来几十年里，所有地区的气候变化都将加剧。报告显示，全球升温1.5℃时，热浪将增加，暖季将延长，而冷季将缩短；全球升温2℃时，极端高温将更频繁地达到农业生产和人体健康的临界耐受阈值。
“报告很多预估数据的背后都有我们地球系统模式的支撑。”张贺解释，某个国家或地区单一的模式有一定的不确定性，所以国际上有一个国际耦合模式比较计划，来自全球的气候学家将共享、分析和比较来自最新的全球气候模式的模拟结果。第六次国际耦合模式比较计划有来自全球33家机构的约112个气候模式版本注册参加，其数量为历次之最。在这其中，绝大多数仍是气候系统模式；仅有美国、欧洲、日本、中国等少数国家和地区提交了地球系统模式，其中就包括“寰”的核心模式软件——地球系统模式。
国际耦合模式比较计划包括多项试验，比如观察二氧化碳移除能够在多大程度上帮助缓解甚至逆转气候变化，基于温室气体、太阳辐射等观测进行1850年以来的历史气候模拟等。“有些试验是有历史数据可以比对的，模式模拟出的结果和观测数据越接近，说明这个模式的准确性越高。”
这是一个非常耗时的过程。张贺介绍，按照现有的计算能力，地球系统模式一天大概能计算出地球10年左右的变化；而试验要求的周期一般都是几百年。“中间不出任何差错，一项试验也至少需要几十天的时间；中间一旦发现有问题，就要调整参数，从头再来。”
2020年春节，一场突如其来的新型冠状病毒肺炎疫情打破了人们阖家团圆的喜悦。对于张贺和团队人员来说，压力更多一层，那时也正值提交试验数据的关键节点。电脑24小时马不停蹄跑着数据，他们的心情也伴随着曲线的弧度上下起伏着——如果模拟正常，曲线会围绕着一个比较固定的值上下波动；如果突然增大或者减小，则说明模拟出了问题。“睡觉时笔记本电脑就放在床边，晚上起来上厕所都要看一眼；如果发现曲线断了，这一宿就没法好好睡了。”
对这样的枯燥，张贺却不以为意。他的老师曾庆存常说，“中国要成为世界科技强国，必须有原创性成果，必须有更多能耐得住寂寞、坐得住冷板凳的青年人投身科研事业。”在他看来，虽然气候领域的研究周期长，论文发表数量也不多，但是科研不能只看论文数量，还要看实际的价值和意义。
超复杂的地球系统模式需要强大的算力支持。张贺介绍，我国数值模式研究起步早、基础好，但后来因没有专门针对地球系统数值模拟特点设计的高性能计算机系统支撑，对相关方面人才的重视程度也有所欠缺，其发展慢慢与国际最先进水平拉开差距。他还记得，大气所最初尝试做地球系统模式时使用的计算机，是转了很多个弯儿才从国外买来的。“当时想买都没人卖给你。”
几十年过去了，超算领域早已是另外一番光景。我国超级计算机研制水平和性能从长期跟跑发展到并跑，部分技术领域甚至已经在领跑。这让“寰”的降临迎来完美时机。
在建设初期，大气所曾面临一个重大选择：计算机芯片用进口的还是国产的？最初的设计方案是采用进口处理器，后来国产芯片取得了重大进展，方案便将国产芯片纳入考虑范围。当时，建设方已经预测到可能会有“卡脖子”的风险问题。于是，科研人员后续对国产芯片进行了密集测试，在兼容性、计算效率等方面取得系列突破之后，果断采用了国产芯片。
一年后的事实证明，团队当初选择用国产芯片的决定是明智的。更令人欣喜的是，后续的测试发现国产芯片在某些方面的性能已经超过了进口芯片，“我们的计算机性能全面达到甚至有部分指标已经超过了最初的设计。”张贺说。
大国担当
一个毋庸置疑的事实是，地球“发烧”了。
从19世纪末至今，地球的平均地表温度上升了约1.18℃，而大多数变暖过程发生在过去40年里。“发烧”的地球带来一系列灾难：极端热浪、极端干旱、更为猛烈的台风等，让全球“气候难民”人数不断上升。
限制全球温室气体的排放，将大气中的温室气体浓度维持在一个稳定的水平，成为当务之急。然而，如何减排？减排到什么程度？这是一个涉及科学、经济、政治等多个领域的重大战略问题。
长期以来，美国、日本等发达国家在全球气候变化学术领域具有主导权，掌握着在全球气候变化特别是全球变暖减缓、控制措施等方面的话语权，很大程度上得益于他们建设的地球系统模拟装置。
“寰”的问世将极大地扭转这一局面。
“我们要用自己的计算数据作为气候与环境领域谈判的依据，提升我国的国际话语权。”曾庆存在“寰”落成仪式上的发言掷地有声。
2015年，在第21届联合国气候变化大会上通过的《巴黎协定》首次提出，所有国家共同致力于实现相同的长期目标：加强对气候变化所产生的威胁做出全球性回应，到本世纪末，把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2℃以内，并为把升温控制在1.5℃以内付出努力。
作为最大的发展中国家，中国在这一问题上展现出了大国担当。2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，提出中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。
“无论是1.5℃还是2℃升温目标，均是基于全球先进的地球系统模式计算出来的。通过计算出不同碳排放量产生的升温预估以及气候系统各圈层对升温的响应，最终确定一个合适的升温目标。这必然涉及到对全球碳源汇收支的科学评估，对碳氮循环过程、生物地球化学过程的全球尺度模拟，是一项具有宽广时间尺度的超级计算工程。”张贺介绍，“寰”能够全面地考虑地球系统的各种过程及其相互作用，并在此基础上建立起“生态-气温-二氧化碳浓度-碳排放量”的清晰关系，为我国制定“碳中和”决策和实现“1.5℃升温目标”提供强有力的科技支撑。
除了“核心大脑”“硅立方”外，“寰”还包括了空间分辨率达1至3公里的区域高精度环境模拟系统，这一系统将显著提升我国应对环境问题的能力，使我国防灾减灾水平跃升到新高度。
为了这些目标，张贺和同事们正不断努力着。他们期待着，将“寰”打造成一个开放共享的平台，吸引更多的机构加入，共同解读地球，保护地球。
地球系统数值模拟装置硬件支持设备“硅立方”
释疑
1、“寰”的名字从何而来？
2017年，中科院大气物理研究所举办了“地球系统数值模拟装置”征名活动，共收到534个名称，其中有代表中国传统文化的伏羲、天机、玄黄、谛听，也有希腊神话代表盖亚、阿特拉斯，还有崽崽、蓝色星球等各式各样的昵称。
经过层层挑选，最终确定将“地球系统数值模拟装置”命名为“寰”，昵称“寰寰”。小小的一个“寰”字涵盖了以人类为中心的地球上各个领域：寰海，整个海洋；寰球，整个地球；寰宇，整个宇宙……可谓无所不包、无所不容。“寰”的包罗万象，正表达了“地球系统数值模拟装置”的特点。
2、“寰”能成为预测未来的水晶球吗？
借助模拟实验室，我们可以观察地球未来的运行趋势，但对于细节的预测精度和准确度还有待提升。“目前提前一两个月的趋势预测已经具备了一定的可信度，但提前更久的预测仍然面临不小的困难。”张贺介绍。
