怀柔科学城重大科技基础设施｜把地球搬进实验室，地球系统数值模拟装置申报使用指南

地球是人类共同的家园，气候变化已经成为21世纪全球最为紧迫和广泛关注的议题之一。在怀柔科学城，我国自主研发的地球系统数值模拟装置——“寰”，正通过超级计算能力，模拟推演地球系统的过去与未来，为我国气候变化应对、大气环境治理、防灾减灾等重大问题提供科学支撑。

“寰”是我国“十二五”规划布局的国家重大科技基础设施项目，由中国科学院大气物理研究所牵头、联合清华大学共建，于2022年10月顺利通过国家验收，是北京怀柔综合性国家科学中心首个正式运行的国家重大科技基础设施，实现了“将地球搬进实验室”，推动了地球系统科学不同学科之间的学科交叉和融合，促进我国地球系统科学整体向国际一流水平跨越。

地球系统数值模拟装置实景图

五大核心系统

构建完整数字地球模拟能力

“寰”采用软硬件协同设计，整体架构由两大应用系统、三大支撑系统构成：“地球系统模式数值模拟系统”“区域高精度环境模拟系统”两大应用系统，搭配“超级模拟支撑与管理系统”“支撑数据库和资料同化及可视化系统”“面向地球科学的高性能计算系统”三大支撑系统。

地球系统数值模拟装置结构图

地球系统模式数值模拟系统

地球系统模式示意图

地球系统模式数值模拟系统是我国首个具有自主知识产权的、“完整”的地球系统模式CAS-ESM2.0，并于2023年开源发布。CAS-ESM2.0采用模块化框架，主体由大气环流、海洋环流、海冰、陆面过程、植被动力学、气溶胶和大气化学、陆地生化和海洋生化等8个分系统模式组成。另外，还独立发展了大陆冰盖、日地空间环境、固体地球等分系统模式。CAS-ESM2.0大气环流模式水平分辨率最高达5公里，海洋环流模式水平分辨率最高达1公里。

区域高精度环境模拟系统

针对我国及周边区域，建成了包含大气污染、云可分辨天气预报、农业旱灾、气候变化风险等关键环境要素的区域精细化模拟系统，水平分辨率为全国3公里、重点区域1公里，局地的细分辨率达50米。系统可用于暴雨、台风等高影响天气的模拟预报以及PM2.5、臭氧等大气污染物的模拟、预报和溯源研究，亦可用于气候变化背景下东亚区域极端气候事件、森林生态系统、冰冻圈灾害等风险的预估和农业旱灾的遥感分析与作物生长模拟研究等。

超级模拟支撑与管理系统

超级模拟支撑与管理系统是我国首个支撑地球系统模式运行的管理软件，包括计算封装、模式资源和模式服务等分系统，研发了高效并行耦合器、算子库引入、异步并行I/0（减少I/O时间98.9%）、代理模式（降低模式运行次数72%）、自动参数优化（减少参数寻优计算次数88%）等技术，可灵活高效地支撑地球系统模式的设计、开发、调试验证、发布和应用的全流程科研活动。

支撑数据库和资料同化及可视化系统

可视化球形显示屏

支撑数据库和资料同化及可视化系统包括公共数据池和地球系统数值模拟数据共享门户系统。公共数据池面向“寰”用户除提供常用的历史数据外，还将同步官网提供GFS、GDAS、CFS、ERA等常用的国际公开预报和再分析产品。共享门户系统（http://EarthLab-data.iap.ac.cn）面向全网，提供地学领域的成果数据发布和数据推广服务，包括全球与区域模拟数据、卫星遥感数据、再分析数据等。研发了用于地学大数据分析的可视化软硬件平台，支持6种不同形态跨尺度显示系统的展示与协同交互，球形显示屏直径为3米，分辨率达到583万有效像素。

面向地球科学的高性能计算系统

面向地球科学的高性能计算系统

面向地球科学的高性能计算系统是根据地球科学各类应用模式的需求特点，设计和配置硬件结构，使硬件配置架构和科学软件的需求特性相匹配，最大限度地发挥硬件的能力，并满足未来发展和系统升级的要求。系统共有3360个计算节点，整机峰值计算能力达15.9PFlops，存储总容量126PB。通过软硬件协同攻关，实现了CAS-ESM2.0在国产芯片上的高效稳定运行。

支撑前沿科研创新

赋能多行业产业发展

支撑科研创新能力

目前，装置已全面开放共享，可支撑地球系统多尺度过程及多圈层耦合的演变机理、自然系统与人类活动相互作用的关键过程及其机理、极端天气气候环境的变化机理与精准预测等方向的科研用户提供服务，服务内容包括模式、数据、硬件：

模式：全球和区域地球系统模式的源代码、开发及应用平台，包括地球系统模式、区域模式、科学可视化软件、模式诊断评估软件等。

数据：公开共享数据，包括GFS、GDAS、CFS、ERA等常用的国际公开预报和再分析产品；模式模拟数据，包括全球与区域模拟数据、再分析数据等。

硬件：高性能计算平台，用户可以利用装置模式或者部署自己研发的模式，利用装置的计算资源、支撑软件等条件开展研究。

支撑产业发展能力

气象：次季节-季节预测系统，可实现全球及中国区域的月、季节及年尺度的温度、降水、沙尘、河道流量等气象环境要素的实时预测，支撑国家防灾减灾和相关决策。短期气候预测系统，能跨季度较为准确地预测汛期降水、高温热浪、旱涝急转、冬季气温等气候趋势与异常信号，提供给国家有关部门，服务防灾减灾需求。

交通：高分辨率海洋环境预报系统可为海洋航运、远洋渔业及安全保障提供预报数据支撑；道路灾害预警模式可为智能交通调度、道路安全管控提供决策依据；高精度湍流仿真系统可为低空经济提供关键技术支撑。

新能源：气候预测与新能源功率预报，可对风电、光伏等新能源电场的发电功率进行多时段预测。

大气环境：公里级大气环境污染预报溯源系统可支持国家及地区大气污染预报、溯源与重污染精准调控。

农业：结合短期气候预测系统及农业气象模型，可支持农业气象灾害预测、作物病虫害预测、作物育种调控等。

多项核心技术突破

跻身国际前列

突破全圈层耦合模拟技术。基于装置地球系统模式，联合中山大学、北京师范大学、中国科学院计算机网络信息中心等单位协同攻关，攻克多圈层耦合及高性能并行计算等关键核心技术，实现地球系统多圈层复杂演变过程高精度定量模拟。模式代码全面开源共享，系列成果获评年度中国十大气象科技进展，同步参与全球国际模式比较计划，模式诸多关键指标的性能位居国际前列，大幅提升我国地球科学领域国际影响力与学术话语权。

突破海洋精细化模拟技术。基于装置海洋环境模式，联合崂山实验室、中国科学院计算机网络信息中心等团队，攻关突破了全球公里级海气耦合模拟技术，大气、海洋均达到全球1km（公里）水平分辨率，成果入选中国十大气象科技进展、入围2025年戈登贝尔气候建模奖；标志着我国海洋精细化模拟技术位于国际前列。

建成新一代空气质量模式。基于区域高精度环境模拟系统，联合北京大学、清华大学等单位，自主构建我国自主的新一代空气质量开源模式，有力支撑了国家空气质量预报业务。该模式已成为国家生态环境质量预报中心、5个区域中心、80%以上的省级预报中心的核心业务工具，直接服务保障了北京冬奥会、中非合作论坛等重大活动。

曾庆存，中国科学院院士、气象学和地球流体力学家，国家最高科学技术奖获得者，地球系统数值模拟装置创导者、首席科学家。为现代大气科学和气象事业的两大领域——数值天气预报和气象卫星遥感做出了开创性和基础性的贡献，为国际上推进大气科学和地球流体力学发展成为现代先进学科作出了关键性贡献，并密切结合国家需要，为解决军用和民用相关气象业务的重大关键问题作出了卓著功绩。

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