강대국 천병 "아틀라스": 지구의 미래 해석 시뮬레이션
"아틀라스" 컴퓨터 하드웨어 플랫폼 "실리콘 큐브" 데모
지구 시뮬레이션 실험실' 고리' 는 202 1 베이징 회유과학시에서 초보적으로 건설될 예정이다.
202 1, 국가 핵심 기술 인프라 수치 시뮬레이션 장치 지구 실험실이 곧 완공될 예정입니다. 이것은 우리나라의 또 다른 대국이다. 슈퍼컴퓨터를 통한 대규모 수치 계산은 지구의 과거를 재현하고, 지구의 현재를 시뮬레이션하며, 지구의 미래를 예측함으로써 표적화된' 지구 실험' 을 진행할 수 있다. 이 대국도 탄소중립, 기후변화 연구에서 중요한 역할을 할 것이다. 65438+2020 년 2 월 24 일 lasg 는 국내 최초의 탄소중립 기초 연구에 종사하는 과학연구기관을 설립했다. 이 시설은 중국이 이산화탄소 배출 최고치와 탄소중립 달성을 위한 과학적 경로와 기술 지원을 제공할 것이다.
지구 시스템 시뮬레이션 실험실이란 무엇입니까?
지구 시스템 시뮬레이터, 일명 지구 시뮬레이션 실험실. 파리 협정에서 제시된 1.5 또는 2 의 가열 목표는 지구 시스템 시뮬레이터를 기준으로 계산됩니다. 간단히 말해서, 시뮬레이션 된 "지구" 를 실험실에 넣고 "지구" 의 자연 시스템이 다른 이산화탄소 배출로 인한 지구 온난화에 어떻게 대처하는지 살펴보고 궁극적으로 적절한 가열 목표를 결정하는 것입니다. 여기서 말하는' 지구' 는 실제 지구가 아니라 다양한 물리적, 수학적 방정식을 기반으로 한 디지털 지구라는 점에 유의해야 한다.
지구상의 기체 공기, 액체 상태의 강, 호수와 바다, 고체 암석, 얼음과 눈, 진화하는 생명의 형태는 단순히 대기권, 수권, 얼음권, 암석권, 생물권으로 분류할 수 있다. 수천 년 동안 사람들은 각 원의 현상학적 변화를 느끼면서 동시에 자연의 경험을 총결하였다. 과학의 진보에 근거하여, 우리는 이미 자연 변화의 물리 법칙을 총결하여 수학 공식으로 정량적으로 표현할 수 있게 되었다. 이러한 수학 방정식을 컴퓨터 코드에 추가로 기록하여 각 동그라미에 해당하는 코드 세트를 얻습니다. 즉, 우리가 흔히 말하는 것입니다. 예를 들어, 대기 모델은 본질적으로 대기 운동 방정식, 연속 방정식, 열역학 에너지 방정식의 코드 세트입니다.
자연의 모든 것이 밀접하게 관련되어 있기 때문에, 사람들은 한 번에 모든 수학 방정식을 하나의 코드 세트에 포함할 수 없다. 문제 해결을 단순화하기 위해 먼저 단일 원 레이어를 설명하는 모델을 구성한 다음 단일 커플러를 통해 개별적으로 실행되는 모든 모델을 유기적으로 결합합니다. 커플러는 거대한 공장의 교환 공장처럼 층간 물질과 에너지를 교환하여 대기, 해양, 표면의 패턴을 결합하여 자연의 진화 과정을 최대한 시뮬레이션합니다.
이 숫자' 지구' 를 얻은 후, 어느 시점의 관측 데이터를 입력하여 슈퍼컴퓨터에서 대규모 수치 계산을 하면 지구의 다른 동그라미층의 변화를 추론하여 지구의 과거를 재현하고 지구의 현재를 시뮬레이션하며 지구의 미래를 예측하여 표적된' 지구실험' 을 진행할 수 있다.
"아틀라스" 의 장점
우리는 이미 현실 속의 지구가 복잡한 시스템이라는 것을 알고 있으며, 밀접한 관련이 있는 각 층은 많은 물리적, 화학적, 생물학적 과정을 포함하고 있다. 따라서 지구 시스템 모델에 포함된 레이어 수와 각 레이어에서 자연 과정을 설명하는 완전성은 시뮬레이션 결과의 진실성에 직접적인 영향을 미칩니다. 세계 수치 모델의 발전은 기후 시스템 모델에서 지구 시스템 모델로의 전환 단계에 있다. 전자는 대기, 해양, 육지 등 기후시스템의 각 동그라미 층의 시뮬레이션만 고려하고, 후자는 탄소질소순환, 생지구화학 과정 등을 더 고려하며 하위 시스템 간의 결합성에 대한 요구가 더 높다.
종합 국력의 구체화로서 세계 각국의 과학자들은 모두 자신의 수치 모델을 적극적으로 발전시키고 있다. 예를 들어, 전 세계 33 개 기관의 약 1 12 개 기후 모델 버전은 역사상 가장 많은 수의 6 번째 국제 커플 링 모델 비교 프로그램 (CMIP6) 을 등록했습니다. 현재 세계에는 이렇게 많은 수치 모델이 있지만, 대부분 기후시스템 모델이다. 미국, 유럽, 일본, 중국 등 소수의 국가만이 중과원 대기물리학연구소가 개발한 CAS-ESM2.0 을 포함한 지구 시스템 모델을 제출했다. Atlas-ESM 은 지구 시뮬레이션 실험실' 아틀라스' 의 핵심 모델 소프트웨어라는 점은 주목할 만하다. CAS-ESM2.0 은 CMIP6 비교 테스트에서 탁월한 성과를 거두었으며, 전 세계 식생 지수, 총 초급 생산성 등의 지표에 대한 시뮬레이션이 세계 선두를 달리고 있습니다.
"아틀라스" 는 베이징 Huairou science city 에 위치하고 있습니다. 지구 시스템의 각 계층 수치 시뮬레이션 소프트웨어를 기반으로 한 지구 시스템 전용 수치 시뮬레이션 장치로 규모와 종합 기술 수준이 세계 선두를 달리고 있다. Atlas 건설에는 지구 시스템 모델의 주요 수치 시뮬레이션 시스템뿐만 아니라 지역 고정밀 (공간 해상도 1-3km) 환경 시뮬레이션 시스템, 슈퍼 시뮬레이션 지원 및 관리 시스템, 지원 데이터베이스 및 데이터 동화 및 시각화 시스템, 지구 과학 고성능 컴퓨팅 시스템 및 관련 민간 시설도 포함됩니다. 아틀라스가 완성되면 우리나라 지구시스템 과학 연구에 새로운 패러다임을 제공할 수 있다.
글로벌 지구 시스템 시뮬레이터의 후발주자인 Atlas 는 우리나라 자주지적재산권의 수치 시뮬레이션 소프트웨어 시스템을 채택하여 완전하고, 자진하며, 엄밀한 역학, 물리, 화학, 생태 과정을 갖추고 있으며, 해상도가 세계 선진 수준에 이르렀다. 게다가, 다층 결합에서 층간 상호 작용을 충분히 고려했다. 가까운 장래에 Atlas 는 공간 날씨, 대륙 빙하, 고체 지구 모듈 (예: 지구판의 움직임과 그에 따른 지형 변화, 지진, 화산 폭발 등) 을 더욱 결합시킬 예정이다. 참고) 지구 시스템 시뮬레이션을 인접 공간과 고체 지구 분야로 확장합니다.
소프트웨어 지원을 제외하고, 적절한 컴퓨터 하드웨어가 없다면, 모든 실험은 모두 종이담병이다. 전 세계 시뮬레이션 실험은 초산 프로젝트로 시간 척도가 매우 넓다. Atlas 가 채택한 국산 칩은 매우 복잡한 지구 시스템 모델을 위한 뛰어난 컴퓨팅 지원을 제공합니다. Atlas 용으로 특별히 개발된' 지구과학 고성능 컴퓨터 시스템' 은 15PFlops 이상의 피크 컴퓨팅, 1 분 컴퓨팅 능력을 전 세계 72 억 명의 사람들이 끊임없이 계산기를 4 년 동안 사용하는 것과 맞먹는다. 전체 시스템 * * * HDR InfiniBand 고속 네트워크를 통해 상호 연결된 3000 개 이상의 수냉식 컴퓨팅 노드가 있으며 최대 100Gbps 의 대역폭을 제공합니다. 또한' 실리콘 큐브' 데이터베이스의 저장 공간은 80PB 로 약 13 개 국립도서관의 수집 데이터를 수용하여 각 원의 관찰 및 시뮬레이션 데이터를 저장할 수 있습니다.
대국 중장비, 검지손가락은 어디에 있습니까?
"탄소중립" 노선에서 새로운 에너지와 각종 에너지 절약 배출 감축 기술을 대대적으로 발전시켜 탄소 배출을 줄이는 동시에 식목 조림, 탄소 포집, 보관 등' 탄소 고정' 을 통해 대기 중 온실가스 흡수를 촉진하고, 결국 CO2 배출을 흡수와 같게 하여 탄소의' 순 제로 배출' 을 실현하게 된다.
온실가스 회계와 미래 기온 상승 예측에는 전체 원이 있는 지구 시스템 모델의 시뮬레이션 연구가 필요하다는 것이 아틀라스의 장점이다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 Atlas 드라마), 온실가스, 기온명언) "지도집" 은 지구 시스템의 다양한 구성 요소, 특히 지구 생태계 및 생지 화학 과정과의 상관 관계 시뮬레이션 및 기후 시스템과의 상호 작용을 더욱 포괄적으로 고려할 수 있습니다. 이를 바탕으로' 생태-온도-이산화탄소 농도-탄소 배출' 이라는 명확한 관계를 구축함으로써 1.5 의 온난화 목표와
또한 지구 온난화의 기후를 배경으로 최근 30 년 동안 극단적인 기상 사건과 인간의 생활에 미치는 영향에 대한 보도가 늘고 있다. 강태풍, 고온, 폭우, 가뭄, 한파 등이 포함된다. 이런 극단적인 날씨 사건의 공간 척도는 몇 킬로미터이고, 시간 척도는 몇 시간 이내이다. 이러한 날씨 과정을 정확하게 캡처하려면 모델의 공간 해상도를 높여야 하지만 이는 엄청난 계산량을 운반해야 한다는 의미이기도 합니다. Atlas 는 고성능 컴퓨터 하드웨어를 갖추고 제작되어 극단적인 날씨와 기후 사건을 정확하게 예측할 수 있다. 더욱 정교하고 정교한 지구 시스템 모델을 통해 Atlas 는 더욱 포괄적인 예측 신호를 포착해 방재 경보 수준을 높이고 우리나라의 방재 능력을 강화할 수 있다.
중국의 도시화 과정이 진행됨에 따라 각종 오염 문제가 발생했다. 대기 오염 문제는 지구 시스템의 복잡한 배출 과정, 글로벌 및 지역 전송 과정, 도시 규모의 동력 과정 등 대기 오염 시뮬레이션에 큰 도전을 제기한다. 이러한 과정을 합리적으로 완벽하게 시뮬레이션하고 재현하는 것은 대기 오염을 연구하고 통제하기 위한 핵심 전제 조건이다. Atlas 에는 대기 중 화학 성분의 배출, 확산 및 화학 전환을 시뮬레이션할 수 있는 지역 고정밀 공기 오염 패턴 하위 시스템이 있습니다. 또한 Atlas 는 중금속 시뮬레이션, 결합원 식별 및 추적 기술을 갖추고 있어 오염물의' 추적' 분석을 잘 해 대기오염 예측 수준을 높이고' 아름다운 중국' 생태문명의 길을 안정적으로 유지할 수 있다.
결론적으로' 그림집' 의 탄생은 중국 지구과학의 전반적인 혁신 능력을 크게 향상시키고 방재 완화, 환경관리, 지속가능한 발전, 생태안전 등 중대한 과학문제를 해결하는 데 중요한 역할을 할 것이다.
전 세계를 바라보면서 미국 일본 유럽 등 선진국들은 하드웨어와 소프트웨어가 결합된 지구시스템 전용 시뮬레이션 장치를 구축했다. 예를 들어, 미국 국립대기과학센터 (NCAR) 는 세계 최고의 수치 시뮬레이션 장치로 우수한 지구시스템 모델을 개발해 정부 간 기후변화 전문위원회 (IPCC) 기후변화 예측 실험의 설계 및 평가 보고서를 주도했다.
변화가 일어나고 있고, 미래는 이미 도래했다. 국가 헤비급' 아틀라스' 가 등장하면서 중국은 지구 모의과학, 특히 지구 기후변화 학술 분야에서 더 이상 수동적인 위치에 있지 않을 것이며, 우리는 지구 기후변화에 대처할 때 더 많은 발언권을 장악할 수 있을 것이다!
(저자: 진코신, 조인, 모두 lasg 박사, 사진은 모두 연구소에서 제공)