"Atlas" de los soldados celestiales de las grandes potencias: simulando la Tierra para deducir el futuro
Exhibición "Atlas" de la plataforma de hardware informático "Silicon Cube"
El laboratorio de simulación de la Tierra "Ring" se completará inicialmente en 2021 en la Ciudad de las Ciencias de Huairou en Beijing.
En 2021, se completará el Laboratorio de la Tierra, un dispositivo de simulación numérica de infraestructura científica y tecnológica clave a nivel nacional. Este es otro país grande en nuestro país. A través de cálculos numéricos a gran escala realizados por supercomputadoras, podemos reproducir el pasado de la Tierra, simular el presente de la Tierra y predecir el futuro de la Tierra, llevando así a cabo "experimentos terrestres" específicos. Este gran país también desempeñará un papel importante en la investigación sobre la neutralidad de carbono y el cambio climático. 65438+El 24 de febrero de 2020, LASG estableció la primera institución nacional de investigación científica dedicada a la investigación básica sobre la neutralidad de carbono. Esta instalación seguramente proporcionará caminos científicos y apoyo tecnológico para que China alcance el pico de emisiones de dióxido de carbono y logre la neutralidad de carbono.
¿Qué es el Laboratorio de Simulación del Sistema Tierra?
Simulador del Sistema Terrestre, también conocido como Laboratorio de Simulación de la Tierra. Los objetivos de calentamiento de 1,5 o 2 propuestos en el Acuerdo de París se basan en cálculos del Earth System Simulator. En pocas palabras, la "Tierra" simulada se coloca en el laboratorio para ver cómo los sistemas naturales de la "Tierra" responden al calentamiento global causado por diferentes emisiones de dióxido de carbono y, finalmente, determinar un objetivo de calentamiento apropiado. Tenga en cuenta que la "Tierra" mencionada aquí no es la Tierra real, sino una Tierra digital basada en varias ecuaciones físicas y matemáticas.
El aire gaseoso, los ríos líquidos, los lagos y océanos, las rocas sólidas, el hielo y la nieve y las formas de vida en evolución en la Tierra se pueden clasificar simplemente en cinco círculos principales: atmósfera, hidrosfera, criosfera, litosfera y biosfera. . Durante miles de años, la gente ha sentido los cambios fenológicos en diversos círculos y, al mismo tiempo, ha resumido la experiencia de la naturaleza. Basándonos en los avances de la ciencia, hemos podido resumir algunas leyes físicas de los cambios naturales y expresarlas cuantitativamente mediante fórmulas matemáticas. Estas ecuaciones matemáticas se escriben además en código de computadora para obtener el conjunto de códigos correspondiente a cada capa circular, que es como lo llamamos a menudo. Por ejemplo, el modelo atmosférico es esencialmente un conjunto de códigos de ecuaciones de movimiento atmosférico, ecuaciones de continuidad y ecuaciones de energía termodinámica.
Debido a la complejidad de cómo todo en la naturaleza está estrechamente relacionado, es imposible incluir todas las ecuaciones matemáticas en un conjunto de códigos a la vez. Para simplificar la solución del problema, las personas primero construyen un modelo para describir un solo círculo y luego combinan orgánicamente todos los modelos ejecutados individualmente a través de un "acoplador". El acoplador es como el taller de intercambio de una enorme fábrica, intercambia materia y energía entre capas, acoplando así los patrones de la atmósfera, el océano y la superficie, y simulando al máximo el proceso de evolución de la naturaleza.
Tras obtener esta "Tierra" digital, introduciendo datos de observación en un momento determinado y realizando cálculos numéricos a gran escala en un superordenador, podremos inferir los cambios en las diferentes capas de la Tierra y reproducir el pasado. de la Tierra, simular el presente de la Tierra, predecir el futuro de la Tierra y realizar "experimentos terrestres" específicos.
Ventajas de "Atlas"
Ya sabemos que la tierra en realidad es un sistema complejo con capas estrechamente relacionadas. Cada capa contiene muchos procesos físicos, químicos y biológicos. Por lo tanto, el número de capas incluidas en un modelo del sistema Tierra y la exhaustividad de la descripción de los procesos naturales en cada capa afectan directamente la autenticidad de los resultados de su simulación. El desarrollo de modelos numéricos mundiales se encuentra en la etapa de transición de modelos del sistema climático a modelos del sistema terrestre. El primero solo considera la simulación de varias capas del sistema climático, como la atmósfera, el océano y la superficie terrestre, mientras que el segundo considera además el ciclo del carbono y el nitrógeno, los procesos biogeoquímicos, etc., y tiene mayores requisitos para el acoplamiento entre subsistemas. .
Como reflejo de la fortaleza nacional integral, científicos de todo el mundo están desarrollando activamente sus propios modelos numéricos. Por ejemplo, en el sexto Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP6), en curso, se han registrado unas 112 versiones de modelos climáticos de 33 instituciones de todo el mundo, el mayor número jamás registrado. Aunque existen tantos modelos numéricos en el mundo, la mayoría de ellos son modelos de sistemas climáticos. Sólo unos pocos países y regiones, como Estados Unidos, Europa, Japón y China, han presentado modelos de sistemas terrestres, incluido CAS-ESM2.0 desarrollado por el Instituto de Física Atmosférica de la Academia de Ciencias de China. Vale la pena mencionar que CAS-ESM es el software de modelo central del Laboratorio de Simulación de la Tierra "Atlas". CAS-ESM2.0 tuvo un buen desempeño en la prueba de comparación CMIP6 y su simulación de indicadores como el índice de vegetación global y la productividad primaria total se ubicó entre los mejores del mundo.
El "Atlas" está ubicado en la Ciudad de las Ciencias de Huairou, Beijing. Es un dispositivo de simulación numérica dedicado para el sistema terrestre basado en software de simulación numérica para cada capa del sistema terrestre. Su escala y nivel técnico integral se encuentran entre los mejores del mundo. La construcción de Atlas no solo incluye el principal sistema de simulación numérica del modelo del sistema Tierra, sino que también incluye un sistema de simulación ambiental regional de alta precisión (resolución espacial de 1 a 3 km), un sistema de gestión y soporte de súper simulación, una base de datos de soporte y datos. sistema de asimilación y visualización, y un sistema de alta tecnología en ciencias de la tierra. Sistemas informáticos de rendimiento e instalaciones civiles de apoyo. Una vez completado el atlas, podrá proporcionar un nuevo paradigma para la investigación científica del sistema terrestre de mi país.
Como estrella en ascenso en el simulador del sistema terrestre global, Atlas adopta el sistema de software de simulación numérica de propiedad intelectual independiente de mi país y tiene un conjunto completo, autoconsistente y riguroso de procesos dinámicos, físicos, químicos y ecológicos para resolver La tasa ha alcanzado el nivel avanzado del mundo. Además, la interacción entre capas se considera plenamente en el acoplamiento multicapa. En un futuro próximo, Atlas combinará aún más el clima espacial, los glaciares continentales y los módulos terrestres sólidos (como el movimiento de las placas terrestres y sus cambios inducidos en el terreno, terremotos, erupciones volcánicas, etc.) y extenderá las simulaciones del sistema terrestre al espacio cercano y al espacio. reino de la Tierra sólida.
Además del soporte de software, si no hay un hardware informático adecuado para cooperar, todos los experimentos serán sólo palabras sobre el papel. El experimento de simulación global es un proyecto de supercomputación con una amplia escala de tiempo. Los chips nacionales utilizados por Atlas brindan soporte de supercomputación para modelos de sistemas terrestres ultracomplejos. El "Sistema informático de alto rendimiento para ciencias de la Tierra" desarrollado especialmente para Atlas tiene un valor máximo de cálculo de no menos de 15PFlops. Un minuto de potencia informática equivale a cuatro años de uso ininterrumpido de calculadoras por parte de 7.200 millones de personas en todo el mundo. Todo el sistema * * * cuenta con más de 3.000 nodos informáticos refrigerados por agua, conectados entre sí a través de una red HDR InfiniBand de alta velocidad con ancho de banda de hasta 100 Gbps. Además, la base de datos "Silicon Cube" tiene un espacio de almacenamiento de 80 PB, que puede acomodar los datos recopilados de aproximadamente 13 bibliotecas nacionales para almacenar datos de observación y simulación de cada círculo.
Un gran país tiene un arma pesada, ¿hacia dónde apunta la espada?
Bajo la ruta "carbono neutral", desarrollar vigorosamente nuevas energías y diversas tecnologías de ahorro de energía y reducción de emisiones para reducir las emisiones de carbono, y al mismo tiempo promover el "secuestro de carbono" en la atmósfera a través de la forestación. captura y almacenamiento de carbono, etc. La absorción de gases de efecto invernadero equivale en última instancia a las emisiones y la absorción de CO2, es decir, lograr "emisiones netas cero" de carbono.
La contabilidad de los gases de efecto invernadero y la predicción del futuro aumento de la temperatura deben estar respaldadas por estudios de simulación de un modelo de sistema terrestre de círculo completo. Ésta es la ventaja de Atlas. El "Atlas" puede considerar de manera más completa los distintos componentes del sistema terrestre, especialmente la simulación de correlación con los ecosistemas terrestres y los procesos biogeoquímicos y sus interacciones con el sistema climático, y construir sobre esta base el estudio "Ecología-Temperatura" -concentración de dióxido de carbono. -emisiones de carbono", reduciendo así la incertidumbre en la relación entre el objetivo de calentamiento de 1,5 y las emisiones de carbono.
Además, en el contexto del calentamiento global, los informes sobre fenómenos meteorológicos extremos y su impacto en la vida humana han ido aumentando en los últimos 30 años, incluidos fuertes tifones, altas temperaturas, fuertes lluvias, sequías, frío olas, etc La escala espacial de estos fenómenos meteorológicos extremos es de varios kilómetros y la escala temporal es de unas pocas horas. Para capturar con precisión estos procesos meteorológicos, es necesario mejorar la resolución espacial del modelo, pero esto también significa que debe incluir una gran cantidad de cálculos. Una vez terminado, Atlas estará equipado con hardware informático de alto rendimiento que permitirá predecir con precisión fenómenos meteorológicos y climáticos extremos. Utilizando modelos del sistema terrestre más refinados y completos, Atlas puede capturar señales de predicción más completas, mejorando así el nivel de prevención de desastres y alerta temprana y mejorando las capacidades de prevención y reducción de desastres de mi país.
Con el avance de la urbanización en China, han surgido diversos problemas de contaminación. El problema de la contaminación del aire implica procesos de emisión complejos en el sistema terrestre, incluidos procesos de transporte globales y regionales y procesos dinámicos a escala urbana, lo que plantea un enorme desafío para la simulación de la contaminación del aire. Simular y reproducir estos procesos de forma razonable y completa es un requisito previo clave para estudiar y controlar la contaminación del aire. Atlas tiene un subsistema de modelo regional de contaminación del aire de alta precisión que puede simular la emisión, difusión y transformación química de componentes químicos en la atmósfera. Además, Atlas tiene capacidades de simulación de metales pesados, tecnología combinada de identificación y seguimiento de fuentes, y puede realizar análisis de "trazabilidad de fuentes" de contaminantes, mejorando así el nivel de predicción de la contaminación del aire y estabilizando el camino hacia la civilización ecológica de la "Hermosa China". y a largo plazo.
En resumen, el nacimiento del "Atlas" mejorará significativamente las capacidades generales de innovación de las ciencias terrestres de China y desempeñará un papel importante en la solución de importantes cuestiones científicas como la prevención y reducción de desastres, la gobernanza ambiental y el desarrollo sostenible. y seguridad ecológica.
En todo el mundo, países desarrollados como Estados Unidos, Japón y Europa han construido dispositivos dedicados a la simulación del sistema terrestre que combinan software y hardware. Por ejemplo, el Centro Nacional de Ciencias Atmosféricas (NCAR) de Estados Unidos ha desarrollado excelentes modelos del sistema terrestre con su instalación de simulación numérica a largo plazo líder en el mundo, por lo que estos países han liderado el diseño y la evaluación de experimentos de predicción del cambio climático del Informe del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC).
Los cambios se están produciendo y el futuro ha llegado. Con la llegada del peso pesado nacional "Atlas", China ya no estará en una posición pasiva en la ciencia de simulación terrestre, especialmente en el campo académico del cambio climático global. ¡Tendremos más voz para abordar el cambio climático global!
(Autores: Chen Kexin y Zhao Yin, ambos doctores en ciencias, las fotografías son proporcionadas por el instituto)