在漫漫历史长河中，地球气候一直都处于冷暖干湿相互交替、变化周期长短不一的波动变化中。然而，自第一次工业革命（18世纪60年代～19世纪中期）以来，随着二氧化碳等温室气体的大量排放，这种波动变化被打破了，地球气候呈现出了以变暖为主要特征的系统性变化，即全球变暖。

大量证据表明，全球变暖通过直接或间接的形式，对自然和人类产生了广泛的不利影响和相关损失与损害。人们不禁要问，气候为何变暖？气候变暖如何适应？未来，全球变暖可能暂停吗？在这样的背景下，地球的“数字孪生兄弟”、国家重大科技基础设施地球系统数值模拟装置——“寰”（huán），应运而生。

把地球“搬”进实验室

“寰”是用于模拟地球生态环境系统的一种装置，也被称为地球的“数字孪生兄弟”。它以观测数据为基础，利用数学建模，对地球表面各圈层（大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈、岩石圈）的物理、化学和生命过程及其演化规律进行描述，并在超级计算机上开展大规模科学计算，由此再现各个圈层过去和现在的演变，并预测其未来。

“寰”把“数字版”的地球“搬”进实验室，观察由不同情景造成的气候变暖时，地球系统是如何响应的、各圈层间又是如何相互作用的。

“寰”主体包括5个系统，它们之间组成了一个“三明治”式的结构。

如图所示，“寰”的顶层是模式层，对应两个数值模拟系统，一个是放眼全球的地球系统模式数值模拟系统，一个是聚焦中国的区域高精度环境模拟系统。

“寰”的底层是硬件层，对应一个专门面向地球科学的高性能计算系统。

“夹”在中间的，是由两个系统构成的支撑层，一个是超级模拟支撑与管理系统，它主要给模式层提供软件支撑；另一个是支撑数据库和资料同化及可视化系统，它的功能是数据库与显示层。

软硬件协同设计

“寰”原气候变化

“独立自主”是“寰”最值得骄傲的特质，其软硬件的自主化率超过了90%，核心软件为中国首个具有自主知识产权的“完整”地球系统模式CAS-ESM2.0。