強力な国家的装置：地球システム数値シミュレーション装置

「地球システム数値シミュレーション施設」は、国家発展改革委員会が「第12次5カ年計画」期間中に展開・建設した国家規模の科学技術インフラプロジェクトである。これは、我が国で独自の知的財産権を有して開発に成功した最初の地球システムシミュレーションの大規模科学施設であり、「Huan」と名付けられています。この装置は主にスーパーコンピュータを用いて大規模な数値計算を行い、地球の過去を再現、地球の現在をシミュレート、地球の未来を予測するなど、的を絞った「地球実験」を行う。この強力な国家兵器は、カーボンニュートラル、気候変動などの問題の研究においても重要な役割を果たすだろう。

2021年6月23日、「地球システム数値シミュレーション装置」が試験運用を開始し、党創建100周年、北京冬季オリンピック、冬季パラリンピックなどの重要イベントに気象・環境サポートを提供し、良好な成果を上げました。 2022年10月17日、「地球システム数値シミュレーション施設」が国家検定を通過し、正式に運用を開始しました。

|地球システム数値シミュレータとは

名前の通り、地球の生態系をシミュレートするための装置です。地球システム数値シミュレーション装置は装置といいながら、実は私たちがよく知るスーパーコンピュータのような大型の装置ではなく、ソフトウェアとハ​​ードウェアを組み合わせた、ソフトウェアを中核とした装置です。研究者は、スーパーコンピュータに展開されたこれらのソフトウェアといくつかの関連する数値を使用して研究を実施する必要があります。

簡単に言えば、シミュレートされた「地球」を実験室に持ち込み、「地球」上の自然システムがさまざまな二酸化炭素排出量によって引き起こされる地球温暖化にどのように反応するかを確認し、最終的に適切な気温上昇目標を決定することです。ここで言う「地球」は実際の地球ではなく、さまざまな物理方程式や数学方程式に基づいたデジタル地球であることに注意してください。

|地球システム数値シミュレータはどのように機能しますか?

地球のさまざまな球体の基本法則を理解することは、研究者がシミュレーションにデバイスを使用するための基礎となります。地球は、大気圏、水圏、氷圏、岩石圏、生物圏という 5 つの主要な圏で構成されています。デバイスのシミュレーション プロセスは、実際には地球上の 5 つの球体間の相互作用のプロセスをシミュレートします。例えば、大気圏と氷圏の間では、大気の温度が上昇すると氷や雪が溶けます。氷と雪が溶けると、地表のアルベドは大幅に減少し、地表と大気はより多くの太陽光を吸収するため、気温がさらに上昇し、雪がさらに溶けることになります。各領域における活動の中でも、人間の活動は非常に重要であり、非常に複雑です。私たちの生産と生活は、地球上のさまざまな領域に一連の影響を及ぼします。

自然界のあらゆるものの相互に関連した複雑さのため、すべての分野の数学方程式を 1 つのコード セットに一度に含めることは不可能です。問題の解決を簡素化するために、まず単一の円を記述するモデルを構築し、次に「カップラー」を使用して独立して動作するモデルを有機的に結合します。カプラーは巨大な工場の交換作業場のようなもので、さまざまな領域間で物質とエネルギーが交換され、大気、海洋、地表などのモードが結合され、自然の進化プロセスを最大限にシミュレートします。

このデジタル「地球」を入手した後、ある瞬間の観測データを入力し、スーパーコンピュータで大規模な数値計算を行うことで、地球の各球面の変化を推定し、地球の過去を再現したり、地球の現在をシミュレーションしたり、地球の未来を予測したりといった、的を絞った「地球実験」を実施します。

| 「歓」の国際的地位

国の総合的な国力の反映として、各国の科学者が独自の数値モデルの開発に積極的に取り組んでいます。 2022年には、我が国も第6次結合モデル相互比較プロジェクト（CMIP6）に参加するために地球システムモデルを提出しました。このシミュレーション実験には、世界33機関から約112バージョンの気候モデルが参加登録しており、これは過去最大の数です。世界には数多くの数値モデルがありますが、そのほとんどは依然として気候システムモデルです。世界を見渡しても、ソフトウェアとハ​​ードウェアを組み合わせた地球システムの専用シミュレーション装置を構築しているのは、米国、日本、欧州などの先進国だけです。米国の国立大気科学センター（NCAR）は、長年にわたり世界をリードしてきた数値シミュレーション装置を活用して、優れた地球シミュレーションシステムを開発しました。したがって、これらの国々は、気候変動に関する政府間パネル (IPCC) の気候変動予測実験の設計と評価報告書の作成を主導しています。

この比較実験において、我が国が独自に開発した地球システムモデルCAS-ESM2.0は優れた性能を示し、地球植生指数、粗一次生産性などの指標のシミュレーションは世界最高レベルにランクされました。 CAS-ESM は地球シミュレーション研究所「Huan」のコアモデル ソフトウェアであることは注目に値します。

ソフトウェアサポートに加えて、「Huan」に使用されている国産チップは、非常に複雑な地球システムモデルに超強力なコンピューティングサポートを提供します。 Huan 専用に開発された地球科学用の高性能コンピュータ システムである Silicon Cube の計算ピークは 15PFlops にも達します。 1 分間の計算能力は、世界中の 72 億人が同時に電卓を使って 4 年間連続して計算するのと同等です。システム全体には 3,000 台を超える水冷式コンピューティング ノードがあり、最大 100Gbps の帯域幅を持つ HDR InfiniBand 高速ネットワークを使用して相互に接続されています。また、「シリコンキューブ」データベースは80PBのストレージスペースを備えており、約13の国立図書館のコレクションデータを収容でき、さまざまな分野の観測データやシミュレーションデータを保存するのに使用されます。

| 「歓」の応用分野

1. 気候変動への取り組み

温室効果ガス計算、将来の温暖化予測、あるいは海面上昇や氷圏の変化など他の領域の温暖化に対する可能性のある反応など、これらすべてには、完全な領域、特に炭素と窒素の循環と生物地球化学プロセスのシミュレーションを含む地球システム モデルのシミュレーション研究のサポートが必要です。まさにこれが「Huan」の強みです。

そのため、「Huan」は「カーボンニュートラル」や気候変動などの関連研究に力を入れ、国家の戦略的ニーズに科学技術サポートを提供していきます。

2. 海洋気候変動の予測

エルニーニョ・南方振動（ENSO）現象は、年々の規模で気候システムの最も重要な変化のシグナルです。北半球の冬に成熟期を迎え、翌年の夏に我が国東部の気候に重要な影響を及ぼします（夏季モンスーンの強さや台風の活動など）。これは季節をまたぐ気候予報の主な信号源です。

高性能な気候モデルを用いて、対象地域の数か月から1年後の気温、干ばつ、洪水などを予測することが、国際的な気候予測研究の主流となっている。 「環」は、国民経済や国民生活に密接に関係する短期的な気候予測問題に焦点を当て、より洗練され、より完全な地球システムモデルを使用して、より包括的な予測シグナルを捉え、我が国の短期的な気候予測能力を総合的に向上させるための科学技術サポートを提供します。

3. 防災・減災

社会経済の発展に伴い、環境汚染問題がますます顕著になってきました。微小粒子状物質（PM2.5）、オゾン、砂嵐、酸性雨などさまざまな問題が共存し、人々の健康や生態環境に多大な害を与えています。

数値モデルは、汚染物質の発生源を追跡し、重度の汚染気象プロセスを予測および警告し、さまざまな汚染防止対策の有効性を評価することができ、それによって大気汚染防止計画の策定を支援します。しかし、大気汚染の問題には、空間的には地球規模から都市規模までの動的プロセス、時間的にはミリ秒規模の化学プロセスと年規模の輸送プロセスが関係しており、数値シミュレーションにとって大きな課題となっています。

「環」には我が国の地域向けの高精度大気汚染モデルサブシステムが含まれており、高解像度で大気汚染物質の生成プロセスを完全にシミュレートする機能を備えており、我が国の大気汚染の正確な予測と洗練された予防・制御技術の開発のための高度な実験プラットフォームを提供できます。

さらに、「歓」は、大雨、台風、砂嵐、猛暑、寒波などの災害気象の高解像度シミュレーション実験もサポートし、災害気象の予測方法とツールの研究開発のための高度な科学プラットフォームを提供し、災害の予防と軽減などの国家の主要なニーズに対する科学技術サポートを提供します。

つまり、「環」の誕生は我が国の地球科学の総合的な革新能力を大幅に高め、防災や減災、環境ガバナンス、持続可能な開発、生態系の安全など我が国の重大な科学問題の解決に重要な役割を果たすことになるだろう。これは、「カーボンニュートラル」や「美しい中国」などの主要な戦略目標を達成するための強力な科学技術サポートを提供します。

（インターネットからの写真）

著者 |顧俊哲

コンピュータサイエンスとテクノロジーの修士号。卒業後はネットワーク情報の収集と整理に従事し、科学知識の普及に努め、最先端技術の探求に努めた。