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模拟地球?预测气候?地球居然可以被搬进实验室!

央广网北京6月26日消息 据中央广播电视总台中国之声《新闻超链接》报道,23日,我国首个研制成功的地球系统数值模拟大科学装置,在北京怀柔科学城落成启用。该装置将用来计算出大气圈、水圈、冰冻圈等的运动变化规律,对地球的过去进行反演、对现在进行观察、对未来进行预测。

把地球搬进实验室,是如何做到的?地球五个圈层如何互相影响?我国地球模拟装置性能如何?

地球系统数值模拟装置:可以模拟地球的神奇软件

地球系统数值模拟装置,顾名思义,即是用于模拟地球生态系统的一种装置。地球系统数值模拟装置虽然被叫做装置,但实际上,它并不是我们熟知的类似于超级计算机的大型装置,而是一种软硬件结合且以软件为核心的装置,研究者需要利用部署在超级计算机上的这些软件,以及一些相关的数值来开展研究。

中国科学院大气物理研究所副研究员张贺说,地球系统数值模拟装置被重点应用于计算地球的气候环境在未来的演变趋势,该装置可以对一些灾害性的天气进行模拟,或者是对一些季节性的气候环境进行预测,比如:干旱洪涝、高温热浪、台风、沙尘暴等,甚至可以对农业产量进行预测。除了对气候环境进行模拟和预测外,地球系统数值模拟装置还可以核算当前人类的碳排放量和碳吸收量,模拟在不同的减排路径下的气候变化,以助力“双碳目标”的达成,治理大气污染。

地球系统数值模拟装置是怎样工作的?

认识地球各圈层的基本规律是研究者利用装置进行模拟的基础。地球由五大圈层组成,分别是大气圈、水圈、冰冻圈和岩石圈以及生物圈。装置的模拟过程实际上就是在模拟地球上五个圈层互相作用的过程。对于地球各圈层的相互作用关系,张贺举例:在大气和冰冻圈之间,大气的温度升高之后,冰雪会融化。冰雪融化后,地表的反照率大大降低,地表和大气就会吸收更多的太阳光,导致温度进一步上升,从而导致积雪也进一步融化。在圈层的活动中,人类的活动非常重要且十分复杂,我们的生产和生活会对地球的各个圈层产生一系列的影响。

在了解各圈层的基本规律后,研究者会形成数学方程式以表达规律,之后将数学方程式结合计算机程序算法形成一个数学物理模型,最后将此模型放到计算机上进行计算,求出方程式的解,完成一次模拟。

由于模拟过程涉及的圈层较多,涉及的要素也较多,因此地球系统数值模拟装置的计算量非常大,数据庞杂,过程繁复。

我国的地球系统数值模拟装置的水平如何?

地球系统数值模拟装置计算过程复杂,对计算机要求高,既依赖硬件,又依赖软件以及算法和数据,只有综合实力强大的国家才有能力进行这方面的研制。

我国虽然在上世纪五六十年代就已开展相关研究,但大约在上世纪八十年代,我国才开发出一个完整实用的地球系统数值模拟模式。从八十年代至今,我国的模式也在不断的改进完善。我国的地球系统数值模拟装置在刚建成时要远远落后于日本等发达国家,但如今我们与发达国家在这方面的研究水平已基本处于并跑状态。张贺表示,我们的硬件装置所采用的芯片是国产芯片,其性能在某些方面甚至稍强于英特尔芯片,同时在建设过程中我国也自主研发了许多新的算法,在提高计算效率的同时也优化了计算的准确性。

我国地球系统数值模拟装置发展正朝着领先世界的水平不断前进,未来将为我们的生活带来更多好的改变。

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