田智慧 赫曉慧

迫切的信息技術(shù)支撐需要

在剛剛結(jié)束的省十三屆人大四次會(huì)議上，省委書記王國(guó)生就貫徹落實(shí)新發(fā)展理念進(jìn)行了詳盡闡述，對(duì)推進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提出具體要求，指出，要在生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上走在黃河流域前列。黃河流域地域廣、水文氣象等自然條件多樣，黃河水沙變化規(guī)律復(fù)雜，對(duì)黃河的治理目前尚處在經(jīng)驗(yàn)治黃向科技治黃的起步階段。存在“小浪底水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動(dòng)力不足，水沙調(diào)控體系的整合力無(wú)法充分發(fā)揮。下游防洪短板突出，洪水預(yù)見期短、威脅大”等問題，為此，迫切需要加大科技創(chuàng)新對(duì)黃河生態(tài)保護(hù)支撐力度，這其中信息技術(shù)的作用非常重要。

從二十世紀(jì)九十年代開始，對(duì)地觀測(cè)、互聯(lián)網(wǎng)、地理信息、大數(shù)據(jù)、現(xiàn)代通信、超級(jí)計(jì)算等新一代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)模式從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)觀察、理論分析過渡到計(jì)算模擬的新階段。而高效、準(zhǔn)確的計(jì)算模擬離不開強(qiáng)有力的算力、算法和數(shù)據(jù)做支撐。

2020年10月31日，新中國(guó)成立以來(lái)我省投資最大、峰值計(jì)算能力（100Pfbps）和存儲(chǔ)規(guī)模（100PB）在全國(guó)乃至在世界都居前列的國(guó)家超級(jí)計(jì)算鄭州中心，通過了科技部驗(yàn)收。地球系統(tǒng)科學(xué)是研究地球的演化和各部分相互作用的，由數(shù)學(xué)、物理、地球科學(xué)等多學(xué)科相互融合組成，再加上地觀測(cè)技術(shù)、遙感、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、通信技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)黃河流域全面、快速、系統(tǒng)、智能的感知，并大幅度提升了數(shù)據(jù)獲取能力。國(guó)家超級(jí)計(jì)算鄭州中心的成立，無(wú)疑為黃河流域高精度多尺度時(shí)空大數(shù)據(jù)的獲取、分析提供了有力保障。

黃河模擬器：實(shí)現(xiàn)對(duì)黃河流域計(jì)算模擬、仿真預(yù)測(cè)的源頭探知

地球模擬裝置是計(jì)算機(jī)與地球科學(xué)研究相結(jié)合的產(chǎn)物。地球是由大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈等組成的復(fù)雜系統(tǒng)，是人類賴以生存的家園。自古以來(lái)，人類都對(duì)地球進(jìn)行觀測(cè)、分析，不斷揭示春夏秋冬、自然災(zāi)變等內(nèi)在機(jī)理。

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，由于人類對(duì)地球系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的日臻完善，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段不斷進(jìn)步而產(chǎn)生了地理現(xiàn)象的觀測(cè)和數(shù)據(jù)的積累；對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋，從數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科規(guī)律出發(fā)，建立有關(guān)地球過程的定量關(guān)系；在前兩項(xiàng)的基礎(chǔ)上建立概念模型和數(shù)學(xué)（數(shù)值）模型并實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證模型，再用模型對(duì)未來(lái)的變化趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)，這就是地球系統(tǒng)科學(xué)。

在過去的幾十年里，由于超級(jí)計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，由此產(chǎn)生了超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與地球系統(tǒng)科學(xué)相互融合的地球模擬裝置，用于高精度、快速預(yù)測(cè)地球變化。

2002年3月15日，日本研發(fā)的地球模擬器，能夠在1秒鐘內(nèi)完成基于地球10公里單元精度的整個(gè)地球的大氣循環(huán)預(yù)測(cè)、溫室化預(yù)測(cè)、地殼變動(dòng)、地震發(fā)生等大規(guī)模計(jì)算模擬任務(wù)，這項(xiàng)任務(wù)如果交給一個(gè)人使用計(jì)算器來(lái)完成的話，需要花上3000萬(wàn)年。

我國(guó)也十分重視地球系統(tǒng)模擬裝置的建設(shè)。2013年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長(zhǎng)期規(guī)劃》（2012—2030年）提出，地球系統(tǒng)模擬是衡量地球科學(xué)研究綜合水平的重要標(biāo)志，是開展氣候變化、防災(zāi)減災(zāi)和環(huán)境治理等科學(xué)研究不可缺少的手段。以認(rèn)識(shí)地球環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)、模擬地球系統(tǒng)圈層變化和長(zhǎng)期氣候變化、精細(xì)描述和預(yù)測(cè)地球物理化學(xué)及生物過程等為目標(biāo)，建設(shè)地球系統(tǒng)數(shù)值模擬器，主要包括：超級(jí)計(jì)算及存儲(chǔ)專用系統(tǒng)，超級(jí)模擬支撐與管理軟件系統(tǒng)，地球各層圈過程模擬軟件系統(tǒng)，地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)與海量數(shù)據(jù)智能分析與可視化系統(tǒng)等。

由中科院大氣所等承擔(dān)的“地球數(shù)值模擬裝置”于2018年11月開工建設(shè)，該模擬裝置建立了面向地球科學(xué)的高性能計(jì)算機(jī)原型系統(tǒng)和地球系統(tǒng)數(shù)值模擬可視化系統(tǒng)兩個(gè)平臺(tái)，在基于地球系統(tǒng)數(shù)值模擬并行軟件支撐框架下，開發(fā)出包括有完整的氣候系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境模式及其耦合的地球系統(tǒng)模式和區(qū)域高分辨率大氣污染模式，建立新一代我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)并開展預(yù)測(cè)試驗(yàn)，同時(shí)開展關(guān)鍵區(qū)域的災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)和空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)試驗(yàn)，為國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)對(duì)氣候變化、大氣環(huán)境治理等重大問題提供科學(xué)支撐；推動(dòng)地球系統(tǒng)科學(xué)不同學(xué)科之間的學(xué)科交叉和融合。

黃河模擬器是服務(wù)黃河流域的地球模擬器。黃河流域是地球上由陸地、大氣、水系、植被、人類活動(dòng)等相互作用組成的一個(gè)復(fù)雜的流域尺度的地球系統(tǒng)。黃河模擬器從本質(zhì)上說是基于國(guó)家超級(jí)計(jì)算鄭州中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的流域尺度的地球模擬裝置，主要包括理論峰值計(jì)算能力100Pfbps的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及100PB的存儲(chǔ)專用系統(tǒng)，超級(jí)模擬支撐與管理軟件系統(tǒng)，黃河流域水沙動(dòng)態(tài)模擬、陸表模擬數(shù)值模式等軟件系統(tǒng)，黃河流域數(shù)據(jù)庫(kù)與海量數(shù)據(jù)智能分析與可視化系統(tǒng)等，可科學(xué)揭示、模擬與預(yù)測(cè)黃河流域“天上下雨、地上流”的內(nèi)在規(guī)律，支撐黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。

為分類精準(zhǔn)施策提供科學(xué)依據(jù)

要落實(shí)好讓黃河成為造福人民的幸福河的目標(biāo)，就必須堅(jiān)持科技支撐，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，從流域系統(tǒng)整體出發(fā)，圍繞黃河流域水資源、生態(tài)保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展這一核心科學(xué)問題，通過構(gòu)建黃河模擬器，基于對(duì)地觀測(cè)技術(shù)、遙感、衛(wèi)星導(dǎo)航與定位、地理信息、超級(jí)計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)黃河流域的遙感、定位觀測(cè)等海量數(shù)據(jù)的匯聚、存儲(chǔ)、管理，對(duì)所需要的要素類型進(jìn)行智能化的提??；構(gòu)建建設(shè)匹配水循環(huán)模擬仿真和多方案智能決策的并行計(jì)算框架；開發(fā)包括流域水文氣象、水土流失、水沙動(dòng)態(tài)演進(jìn)、洪水預(yù)報(bào)預(yù)警、庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度、流域調(diào)水等流域—區(qū)域水循環(huán)數(shù)值模擬仿真組件；基于黃河流域多源、多尺度、多類型、大規(guī)模綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)以及與空間信息、地學(xué)知識(shí)、應(yīng)用模型關(guān)聯(lián)融合、決策服務(wù)支持等關(guān)鍵技術(shù)，形成超大規(guī)模計(jì)算集群支持下的決策服務(wù)與多維實(shí)時(shí)可視能力的高效并行化模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)黃河流域干支流、左右岸、上下游的生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的高性能計(jì)算模擬、仿真與預(yù)測(cè)，通過因地制宜，分類精準(zhǔn)施策，有效破解黃河流域發(fā)展中存在的洪水風(fēng)險(xiǎn)是最大威脅、生態(tài)環(huán)境依然脆弱、水資源保障形勢(shì)嚴(yán)峻、發(fā)展質(zhì)量有待提高等“表象在河道、根子在流域”的問題。（作者單位：鄭州大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）

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