Ein leistungsstarkes nationales Gerät: Gerät zur numerischen Simulation des Erdsystems

Die „Einrichtung zur numerischen Simulation des Erdsystems“ ist ein großes nationales wissenschaftliches und technologisches Infrastrukturprojekt, das von der Nationalen Entwicklungs- und Reformkommission während des Zeitraums des „12. Fünfjahresplans“ ins Leben gerufen und errichtet wurde. Es handelt sich außerdem um die erste große wissenschaftliche Einrichtung zur Erdsystemsimulation, die in meinem Land erfolgreich entwickelt wurde und über unabhängige geistige Eigentumsrechte mit dem Namen „Huan“ verfügt. Das Gerät verwendet hauptsächlich Supercomputer, um groß angelegte numerische Berechnungen durchzuführen, um die Vergangenheit der Erde zu reproduzieren, die Gegenwart der Erde zu simulieren und die Zukunft der Erde vorherzusagen und so gezielte „Erdexperimente“ durchzuführen. Diese mächtige nationale Waffe wird auch in der Forschung zur Kohlenstoffneutralität, zum Klimawandel und zu anderen Themen eine wichtige Rolle spielen.

Am 23. Juni 2021 nahm das „Earth System Numerical Simulation Device“ seinen Probebetrieb auf und leistete meteorologische und ökologische Unterstützung für Großveranstaltungen wie den 100. Jahrestag der Parteigründung, die Olympischen Winterspiele in Peking und die Winter-Paralympics und erzielte gute Ergebnisse. Am 17. Oktober 2022 hat die „Earth System Numerical Simulation Facility“ die nationale Abnahme bestanden und wurde offiziell in Betrieb genommen.

| Was ist der Earth System Numerical Simulator

Wie der Name schon sagt, handelt es sich um ein Gerät zur Simulation des Ökosystems der Erde. Obwohl das Earth System Numerical Simulation Device als Gerät bezeichnet wird, handelt es sich in Wirklichkeit nicht um ein großes Gerät wie den uns bekannten Supercomputer, sondern um ein Gerät, das Software und Hardware kombiniert und bei dem die Software den Kern bildet. Forscher müssen diese auf dem Supercomputer bereitgestellte Software und einige damit verbundene numerische Werte verwenden, um ihre Forschung durchzuführen.

Vereinfacht ausgedrückt geht es darum, die simulierte „Erde“ ins Labor zu bringen, um zu sehen, wie die natürlichen Systeme auf der „Erde“ auf die globale Erwärmung reagieren, die durch unterschiedliche Kohlendioxid-Emissionen verursacht wird, und schließlich ein geeignetes Ziel für den Temperaturanstieg zu bestimmen. Bitte beachten Sie, dass es sich bei der hier erwähnten „Erde“ nicht um eine reale Erde handelt, sondern um eine digitale Erde, die auf verschiedenen physikalischen und mathematischen Gleichungen basiert.

| Wie funktioniert der Earth System Numerical Simulator?

Das Verständnis der Grundgesetze der verschiedenen Sphären der Erde ist für Forscher die Grundlage für den Einsatz von Geräten zur Simulation. Die Erde besteht aus fünf großen Sphären: Atmosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre, Lithosphäre und Biosphäre. Der Simulationsprozess des Geräts simuliert tatsächlich den Prozess der Interaktion zwischen den fünf Sphären der Erde. Wenn beispielsweise zwischen der Atmosphäre und der Kryosphäre die Temperatur der Atmosphäre steigt, schmelzen Eis und Schnee. Nachdem Eis und Schnee geschmolzen sind, verringert sich das Albedo der Oberfläche erheblich und die Oberfläche und die Atmosphäre absorbieren mehr Sonnenlicht, wodurch die Temperatur weiter ansteigt und der Schnee weiter schmilzt. Unter den Aktivitäten in diesen Sphären sind die menschlichen Aktivitäten sehr wichtig und sehr komplex. Unsere Produktion und unser Leben werden eine Reihe von Auswirkungen auf verschiedene Bereiche der Erde haben.

Aufgrund der Komplexität der Vernetzung aller Dinge in der Natur ist es unmöglich, mathematische Gleichungen aller Bereiche gleichzeitig in einem Codesatz zusammenzufassen. Um die Lösung des Problems zu vereinfachen, konstruieren die Leute zunächst ein Modell zur Beschreibung eines einzelnen Kreises und verwenden dann einen „Koppler“, um die unabhängig voneinander arbeitenden Modelle organisch zu kombinieren. Der Koppler ist wie eine Austauschwerkstatt in einer riesigen Fabrik, in der Materie und Energie zwischen verschiedenen Sphären ausgetauscht werden, wodurch Atmosphäre, Ozean, Landoberfläche und andere Modi gekoppelt werden und der Evolutionsprozess der Natur im größten Umfang simuliert wird.

Sobald wir diese digitale „Erde“ haben, können wir durch die Eingabe der Beobachtungsdaten zu einem bestimmten Zeitpunkt und die Durchführung umfangreicher numerischer Berechnungen auf einem Supercomputer die Veränderungen in den verschiedenen Sphären der Erde ableiten und so die Vergangenheit der Erde rekonstruieren, die Gegenwart der Erde simulieren und die Zukunft der Erde vorhersagen und so gezielte „Erde-Experimente“ durchführen.

| Der internationale Status von „Huan“

Als Ausdruck der umfassenden nationalen Stärke eines Landes entwickeln Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern aktiv ihre eigenen numerischen Modelle. Im Jahr 2022 reichte mein Land außerdem ein Erdsystemmodell zur Teilnahme am sechsten Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6) ein. Rund 112 Klimamodellversionen von 33 Institutionen weltweit haben sich zur Teilnahme an diesem Simulationsexperiment angemeldet – die größte Zahl aller Zeiten. Obwohl es weltweit zahlreiche numerische Modelle gibt, handelt es sich bei den meisten davon immer noch um Klimasystemmodelle. Wenn man sich weltweit umschaut, haben nur Industrieländer wie die USA, Japan und Europa spezielle Simulationsgeräte für das Erdsystem gebaut, die Software und Hardware kombinieren. Das National Center for Atmospheric Sciences (NCAR) der Vereinigten Staaten hat mithilfe seiner seit langem weltweit führenden numerischen Simulationsausrüstung ein hervorragendes Erdsimulationssystem entwickelt. Diese Länder dominieren daher die Gestaltung der Klimaprojektionsexperimente des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) und die Erstellung der Bewertungsberichte.

In diesem Vergleichsexperiment schnitt das unabhängig entwickelte Erdsystemmodell CAS-ESM2.0 meines Landes hervorragend ab und seine Simulationen des globalen Vegetationsindex, der Bruttoprimärproduktivität und anderer Indikatoren zählten zu den besten der Welt. Es ist erwähnenswert, dass CAS-ESM die Kernmodellsoftware des Erdsimulationslabors „Huan“ ist.

Neben der Softwareunterstützung bieten die in „Huan“ verwendeten, im Inland produzierten Chips eine superleistungsstarke Rechenunterstützung für das hochkomplexe Erdsystemmodell. Der Silicon Cube, ein speziell für Huan entwickeltes Hochleistungscomputersystem für Geowissenschaften, verfügt über eine Rechenleistung von nicht weniger als 15 PFlops. Seine Rechenleistung in einer Minute entspricht der von 7,2 Milliarden Menschen auf der Welt, die vier Jahre lang gleichzeitig ununterbrochen mit Taschenrechnern rechnen. Das gesamte System verfügt über mehr als 3.000 wassergekühlte Rechenknoten, die über ein HDR InfiniBand-Hochgeschwindigkeitsnetzwerk mit einer Bandbreite von bis zu 100 Gbit/s miteinander verbunden sind. Darüber hinaus verfügt die Datenbank „Silicon Cube“ über 80 PB Speicherplatz, der die Sammlungsdaten von etwa 13 Nationalbibliotheken aufnehmen kann und zur Speicherung von Beobachtungs- und Simulationsdaten aus verschiedenen Bereichen dient.

| Anwendungsgebiete von „Huan“

1. Den Klimawandel angehen

Ob es um die Bilanzierung von Treibhausgasen, Prognosen zur zukünftigen Erwärmung oder mögliche Reaktionen anderer Sphären auf die Erwärmung wie etwa den Anstieg des Meeresspiegels und Veränderungen der Kryosphäre geht, sie alle erfordern die Unterstützung durch Simulationsforschung am Erdsystemmodell, die die gesamten Sphären umfasst, insbesondere die Simulation von Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufen und biogeochemischen Prozessen. Genau das ist der Vorteil von „Huan“.

Daher wird sich „Huan“ in relevanten Forschungsarbeiten wie „Kohlenstoffneutralität“ und Klimawandel engagieren, um wissenschaftliche und technologische Unterstützung für die nationalen strategischen Bedürfnisse zu leisten.

2. Vorhersage des Klimawandels im Ozean

Das Phänomen El Niño und Southern Oscillation (ENSO) ist das bedeutendste Signal einer Veränderung des Klimasystems auf der interannuellen Skala. Es erreicht seine Reifephase im Winter der nördlichen Hemisphäre und hat einen wichtigen Einfluss auf das Klima im Osten meines Landes im darauf folgenden Sommer (beispielsweise auf die Intensität des Sommermonsuns und der Taifunaktivität). Es ist die Hauptsignalquelle für jahreszeitübergreifende Klimavorhersagen.

Die Verwendung leistungsstarker Klimamodelle zur Vorhersage von Temperaturen, Dürren und Überschwemmungen in einem Zielgebiet mehrere Monate bis ein Jahr später ist zur gängigen Richtung der internationalen Klimavorhersageforschung geworden. „Huan“ wird sich auf Fragen der kurzfristigen Klimaprognose konzentrieren, die in engem Zusammenhang mit der Volkswirtschaft und dem Lebensunterhalt der Menschen stehen, ausgefeiltere und vollständigere Erdsystemmodelle verwenden, um umfassendere Prognosesignale zu erfassen, und wissenschaftliche und technologische Unterstützung leisten, um die Fähigkeiten meines Landes zur kurzfristigen Klimaprognose umfassend zu verbessern.

3. Katastrophenvorsorge und -minderung

Mit der Entwicklung der Sozialwirtschaft sind die Probleme der Umweltverschmutzung immer deutlicher geworden. Verschiedene Probleme wie Feinstaub (PM2,5), Ozon, Sandstürme, saurer Regen usw. treten gleichzeitig auf und verursachen große Schäden für die menschliche Gesundheit und die ökologische Umwelt.

Mithilfe numerischer Modelle können die Quellen von Schadstoffen ermittelt, Wetterereignisse mit starker Luftverschmutzung vorhergesagt und vor ihnen gewarnt werden. Außerdem können die Wirksamkeit verschiedener Maßnahmen zur Schadstoffbekämpfung bewertet werden, wodurch die Formulierung von Plänen zur Luftreinhaltung unterstützt wird. Allerdings sind mit dem Problem der Luftverschmutzung dynamische Prozesse im Weltraum verbunden, die von der globalen bis zur städtischen Ebene reichen, sowie chemische Prozesse im Millisekundenbereich und Transportprozesse im Jahresbereich, was eine große Herausforderung für die numerische Simulation darstellt.

„Huan“ umfasst ein hochpräzises Subsystem zur Modellierung der Luftverschmutzung in der Region meines Landes, das den Entstehungsprozess von Luftschadstoffen in hoher Auflösung vollständig simulieren kann und eine fortschrittliche experimentelle Plattform für die genaue Vorhersage der Luftverschmutzung in meinem Land und die Entwicklung ausgefeilter Präventions- und Kontrolltechnologien bieten kann.

Darüber hinaus kann „Huan“ hochauflösende Simulationsexperimente zu Katastrophen wie Starkregen, Taifunen, Sandstürmen, extremen Hitze- und Kältewellen unterstützen, eine fortschrittliche wissenschaftliche Plattform für die Forschung und Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur Katastrophenwettervorhersage bieten und wissenschaftliche und technologische Unterstützung für wichtige nationale Bedürfnisse wie Katastrophenvorbeugung und -minderung leisten.

Kurz gesagt: Die Geburt von „Huan“ wird die allgemeine Innovationsfähigkeit der Geowissenschaften meines Landes deutlich steigern und eine wichtige Rolle bei der Lösung wichtiger wissenschaftlicher Probleme in meinem Land spielen, etwa bei der Katastrophenvorbeugung und -minderung, der Umweltverwaltung, der nachhaltigen Entwicklung und der ökologischen Sicherheit. Es wird uns starke wissenschaftliche und technologische Unterstützung bieten, um wichtige strategische Ziele wie „Kohlenstoffneutralität“ und „schönes China“ zu erreichen.

(Bilder aus dem Internet)

Autor | Gu Junzhe

Master in Informatik und Technologie. Nach seinem Abschluss beschäftigte er sich mit der Sammlung und Organisation von Netzwerkinformationen, widmete sich populärwissenschaftlichem Wissen und erkundete Spitzentechnologien.