今年，地球似乎变得很“极端”：

地球怎么了？我们迫切地需要“读懂”地球，弄清楚地球系统运转的机理，明白人类活动如何影响地球系统。然而地球系统是个超级复杂的系统，要探究它的过去、现在和未来，谈何容易。

地球的前世今生，可以“算”出来

当今世界公认最为重要的地球系统研究工具是“地球模拟器”，通过在专用超级计算机上运行地球系统模式（模型），计算出地球各圈层的运动变化规律，从而反演地球的过去、观察地球的现在、预测地球的未来。

长期以来，美国、日本等发达国家在地球模拟科学特别是在全球气候变化领域具有主导权和话语权，这在很大程度上得益于上述国家早已提出或建设了自己的地球系统模拟计划。

这个“模拟器”现在我们国家也有了！

我们国家已经建设了这样一套大科学装置——“地球系统数值模拟装置”。它有个昵称——“寰”，是我国首个具有自主知识产权，以地球系统各圈层数值模拟软件为核心，软硬件指标相适应，规模及综合技术水平位于世界前列的高性能模拟装置。它能服务于气候变化、生态环境建设、“双碳”目标、防灾减灾等国家重大需求。

“算”出来的地球，你看得懂吗？

科学家们建设地球模拟器的初心是为了更好地解读地球， 所谓“解读”，包括“解”和“读”两部分。在“解”的部分，科学家不断地研究地球系统的各种规律，建立并不断优化模型，用数值方法把地球算个明白，追求高精确度的计算结果。这个过程就好比在给地球“算命”。

有了计算结果后，就需要“读”了。然而，科学数据是不那么容易读懂的。

下面是模拟计算出的1850年到2100年北极逐月海冰密集度数据的千分之一（2022年10月~12月）：

从这密密麻麻的数据里，你能看出什么规律？又能否推测出未来北极海冰的情况？

海量数据已经超出了普通人的认知和理解能力，为了让解读被真正“看见”、“读懂”，需要借助可视化技术手段，让隐藏在数据中的“密码”直观呈现，因为一图胜千言，人类80%的信息来源于视觉。

通过下面这个图，我们可以直观地看到，这次模拟数据所揭示的北极海冰消融情况。

北极海冰消融 图片来源：中科院计算机网络信息中心

这就是科学可视化的“威力”。模拟的精度越来越高，产出数据的规模也越来越大，动辄一次模拟产出数据可达GB级、TB级甚至PB级。直观、可交互的科学数据可视化就可以将海量复杂的科学数据形象化，更有助于科学家对数据进行理解与分析，同时也可以拉近公众与科学之间的距离。

科学可视化：看得见的科学

科学可视化最初称为“科学计算的可视化”，是可视化领域历史最久远的一门学科。它以视觉形式来表达复杂的科学数据所隐含的特征信息，是一种对原始科学数据进行理解和解释的手段。

你知道下图是什么？

“凤凰涅槃”——黑洞吸积盘流场可视化 图片来源：中国科学院计算机网络信息中心

这个图是黑洞吸积盘的纵切面，利用热图、流线展示黑洞吸积盘纵切面上能量和力场的分布情况。圆盘中心点为黑洞，彩色的线表示黑洞周围的流场，线的颜色表示当前点的速度，红色速度快、蓝色速度慢，通过可视化可清晰地看到黑洞吸积盘上物质的运行状态。

让我们继续看看科学可视化在科学研究中的应用吧：

1. 在天文研究领域，科学可视化可以为探究宇宙起源的天文学家呈现宇宙演化过程、描绘宇宙结构。

宇宙结构可视化 图片来源：中科院计算机网络信息中心

说明：图示逐步放大的图像展示了宇宙从混沌均匀状态演化为具有絮状结构分布的过程。亮度代表物质分布，颜色代表能量分布。

2.在脑科学领域，科学可视化可以数字化呈现脑区三维结构，支持脑区结构连通性和功能相关性的探索分析。

脑网络组图谱可视分析 图片来源：中科院计算机网络信息中心

说明：大脑是一种复杂的生物器官，图示呈现了宏观尺度下大脑皮层脑区结构、脑区结构和功能间的关联关系，这可以帮助研究人员更准确地对大脑结构进行探索分析。

3. 在流体力学领域，科学可视化可以展现数值风洞流场特征，为飞机、列车等的设计提供参考信息。

伴随燃烧过程的空气湍流的空间速度分布可视化 图片来源：中国科学院计算机网络信息中心

说明：图示的流线为空气湍流的空间速度分布，线的颜色表示速度的大小。直观的可视化结果有助于对内部流动和燃烧过程的深入观察与分析，以帮助研究人员发现宏观实验观测难以发现的新规律新现象。

总之，科学可视化用图形图像直观地展现隐藏在数据中的规律，加速科学探索与发现，是分析数据不可或缺的关键手段，也同时为公众带来了科普的视觉盛宴

给“寰”定制的可视化，到底厉害在哪儿

大科学装置“寰”中专门建设了可视化系统，它是一套软硬件一体化系统，服务于装置数据的可视分析与展示需求，由中科院计算机网络信息中心负责建设完成。

这套可视分析系统有什么特别呢？

1. 超算并行可视化。采用并行可视化技术，将原来在桌面上运行的可视化算法移到超级计算机上，以前需要几个小时来完成的可视化处理计算任务，现在只需要几分钟甚至几秒钟就能完成。

2. 远程实时响应。可视分析系统与模拟装置紧密融合，科学家们不用把数据下载到桌面就可以对上GB甚至上TB的数据进行可视化交互，实时定位模拟计算中潜藏的科学规律或者异常现象。

3. 虚实融合互动。与先进的虚拟现实技术相结合，通过虚实融合的立体眼镜将虚拟的数据投射到现实空间中来，让科学家以酷炫的方式与自己的研究成果互动，将可视化的分析结果与同行在虚拟空间中分享。

有了这套系统，科学家就可以更好地解读地球了（他们的结论，你也看得懂了）：

1.看得见的“地球”

在“寰”的科普展厅中建有一个直径3米的“地球”，装置计算产生的模拟数据，通过可视化软件可以在这个“地球”上实时显示。工业革命以来的气温变化、北极冰盖的消融过程、人类活动不加以控制条件下的碳排放情况，我们都能从这个“地球”上看到。

打开“上帝”视角，在“地球”上，可以看到多个模式数据的“西瓜皮”方式显示亦或某个模式的完整显示，可以通过手机或者透明屏和“地球”互动。

2. 海洋环流模式

模式研究人员计算出的全球海洋环流模式数据，分辨率高，数据中蕴含着很多细节，通过应用高精度特征流场可视化方法，这些隐秘的细节特征得到了精彩呈现。

全球海洋环流的可视化 来源：中科院计算机网络信息中心

3. 大气环流模式

天空中的云变幻莫测，大气环流模式，能够模拟云量变化。结合可视化软件提供的变量派生计算功能以及就地可视化架构，基于海量模式数据的云量可视化交互操作比以往更加快速便捷。

全球云量分布 来源：中科院计算机网络信息中心

4. 气溶胶

科学家有时希望同时查看多种变量，以分析其关联性或分布特征，比如气溶胶。多变量可视化方法的引入，将有限的颜色空间充分对应到不同的物理变量，提升了数据的可见性。

全球气溶胶多变量分布 来源：中科院计算机网络信息中心

5. 当科学遇上虚拟现实

科学也可以很酷，在大科学装置“寰”中，科学可视化和虚拟现实技术相遇，为装置的数据分析与科普带来了新的形态和新的可能，要知道科学家本来研究的就是三维的世界，虚拟现实技术可以让科学家跳进三维中来探究科学的秘密。

我国南海地区的海洋环流到底是什么样子？戴上眼镜沉入海底，可以一探究竟，感受下涡旋在身边环绕。

体验人员头戴VR眼镜沉浸式分析海洋环流模拟数据

这个应用是基于全球海洋环流模式模拟数据制作的，全球海洋就在脚下，还可以深入海底，近距离全方位的观察涡旋的结构和运动。

沉浸式海底涡旋探索

结语

地球系统数值模拟装置已建设完成并于近日通过国家验收，它将显著提升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，也能给国家实施生态文明、“一带一路”、碳中和等提供强有力的科技支撑。

解读地球的任务任重道远，可视化作为数据到知识之间的桥梁，也在不断地自我优化，为科学数据提供更易用的工具，更直观的展示形式和更友好的交互。

作者：GPVis（中国科学院计算机网络信息中心）