中国科学院院士、国家最高科学技术奖得主曾庆存

➤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，提升我国话语权

➤地球系统数值模拟装置一天可以计算出地球的大气圈、水圈、岩土圈、生物圈等多个圈层10年左右的变化

➤应用地球系统数值模拟装置，能够大幅提升我国应对区域自然灾害和环境问题的能力

➤地球系统数值模拟装置的研究数据可以为中国的生态环境保护提供科学依据，比如助力碳达峰、碳中和

文 |《瞭望》新闻周刊记者 扈永顺

近百年来，随着人类社会飞速发展，全球气候和环境变化问题日益严重，台风、洪涝、干旱等自然灾害频发。在各类自然灾害中，与气象直接相关的占到70%以上。人类越来越迫切地需要读懂地球，更精准、全面地认识地球变化，研究全球变化的机制和原因，预知地球的未来。

“把脉”地球，离不开科学试验装置的支撑。“地球系统数值模拟装置”是当今世界公认最为重要的地球系统研究工具。位于北京市怀柔科学城的“地球系统数值模拟装置”即将于6月投入试运行。

该装置相当于一个“地球实验室”，它在专用超级计算机上运行了一套地球系统模式（模型），用以计算出大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈、生物圈的运动变化规律，对地球的过去进行反演、对现在进行观察，对未来进行预测。

该装置发起人之一、中科院大气物理研究所曾庆存院士向《瞭望》新闻周刊记者介绍，应用这一装置，可以更加逼真地实现对大气、海洋、陆面过程、植被生态等的仿真研究，显著提升全球气象和海洋状况预报、灾害预警预报能力，使我国防灾减灾水平跃升到新高度。从中长期看，也能对国家实施生态文明、“一带一路”、碳中和等提供强有力的科技支撑。

“把脉”地球来龙去脉

《瞭望》：多年前你就提出建立中国自己的地球系统模式和数值模拟装置，当时是怎么考虑的？

曾庆存：上世纪60年代，国际科学界提出地球科学应该怎么发展的问题。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。但对于地球科学，做实验是不现实的。做实验有很多详细条件，例如需要保证实验室环境和真实环境一致。但要做关于地球的实验，需要满足的条件太多，没办法做到全部符合。此外，做实验有时候要破坏一个“环境”，像生物科学可通过解剖来实现，但对全地球却没法开展类似实验，因为地球环境不容破坏。

当时正值电子计算机出现了，于是国际上提出了第三种科学研究的办法，叫数值模拟，或称数值试验。这一方法简单来说，就是提出一个理论后，我要验证这个理论对不对，就需要建立数学模型并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，就可用来做模拟实验。

我是地球系统模型的呐喊者。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，我最早提出这个问题是在1985年。

当时我们没有高性能计算机，我陆续做了一些理论研究，例如生态研究，植物要靠光合作用生存，森林里高的树比矮的树能多得到一些阳光，于是树木的高矮就形成了对资源的竞争关系，我就把这个理论写了出来。但这个理论准不准确，就需要在计算机上用数值计算验证。如果验证准确，这个理论就能发展成一个植被生态模型，用以科学实验。

后来，计算模拟的方法慢慢发展到大气、海洋、陆地表层，每方面都需建立一套方程，并耦合起来进行求解，才能对各种气候及生态环境演变的过程进行研究。

上世纪90年代，我们利用大气、海洋、陆面三个分系统模型耦合成气候系统模型，这个模型在超级计算机上运转，实现了跨季度的气候预测，比如冬末就能预测夏天的洪水，我们当时做得比国外早，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）科学评估报告和世界气候研究计划的科学报告都引用了我们的成果作为成功范例。

但要研究长时间跨度的气候变化问题，不能只利用大气、海洋、陆面模型，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。这也需要一个足够强大的超级计算机。

《瞭望》：地球系统模型是怎样发展成为一个大科学装置的？

曾庆存：2007年，我国组织召开一次地球系统模型研讨会，来自中科院、国家自然科学基金委、气象局方面的专家讨论了地球系统模型怎么应用到未来气候变化的问题。

当时已临近将于2009年召开的哥本哈根世界气候大会，会上将制定全球二氧化碳减排目标和各类国家应分担的份额，形势紧迫。为适应国家需要，时任中科院副院长丁仲礼要求大气物理研究所加大研究力度，研制“中国科学院地球系统模式”，由我总负责。时任中科院院长路甬祥也高度重视，指示还需为之解决超算和信息处理的配套设备，于是中科院2011年向国家申报建立“地球系统数值模拟装置”，以保证我国自主研制的地球系统模式为首要任务，同时带动地球科学的理论化。2013年获国家批准，列入《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012—2030年）》。2018年，地球系统数值模拟装置获国家发展和改革委员会批复，在怀柔科学城东区破土动工，正式进入建设实施阶段。