田智慧 赫曉慧

迫切的信息技術支撐需要

在剛剛結束的省十三屆人大四次會議上，省委書記王國生就貫徹落實新發展理念進行了詳盡闡述，對推進黃河流域生態保護和高質量發展提出具體要求，指出，要在生態保護和高質量發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，黃河水沙變化規律復雜，對黃河的治理目前尚處在經驗治黃向科技治黃的起步階段。存在“小浪底水庫調水調沙后續動力不足，水沙調控體系的整合力無法充分發揮。下游防洪短板突出，洪水預見期短、威脅大”等問題，為此，迫切需要加大科技創新對黃河生態保護支撐力度，這其中信息技術的作用非常重要。

從二十世紀九十年代開始，對地觀測、互聯網、地理信息、大數據、現代通信、超級計算等新一代信息技術的廣泛應用，使得人類對自然界的認識模式從傳統的實驗觀察、理論分析過渡到計算模擬的新階段。而高效、準確的計算模擬離不開強有力的算力、算法和數據做支撐。

2020年10月31日，新中國成立以來我省投資最大、峰值計算能力（100Pfbps）和存儲規模（100PB）在全國乃至在世界都居前列的國家超級計算鄭州中心，通過了科技部驗收。地球系統科學是研究地球的演化和各部分相互作用的，由數學、物理、地球科學等多學科相互融合組成，再加上地觀測技術、遙感、衛星導航定位、通信技術的發展，實現了對黃河流域全面、快速、系統、智能的感知，并大幅度提升了數據獲取能力。國家超級計算鄭州中心的成立，無疑為黃河流域高精度多尺度時空大數據的獲取、分析提供了有力保障。

黃河模擬器：實現對黃河流域計算模擬、仿真預測的源頭探知

地球模擬裝置是計算機與地球科學研究相結合的產物。地球是由大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈等組成的復雜系統，是人類賴以生存的家園。自古以來，人類都對地球進行觀測、分析，不斷揭示春夏秋冬、自然災變等內在機理。

近一個世紀以來，由于人類對地球系統認識的日臻完善，現代科學技術手段不斷進步而產生了地理現象的觀測和數據的積累；對觀測數據進行分析和解釋，從數學、物理、化學等學科規律出發，建立有關地球過程的定量關系；在前兩項的基礎上建立概念模型和數學（數值）模型并實驗、驗證模型，再用模型對未來的變化趨勢進行統計預測和預報，這就是地球系統科學。

在過去的幾十年里，由于超級計算機的迅猛發展，由此產生了超級計算機系統與地球系統科學相互融合的地球模擬裝置，用于高精度、快速預測地球變化。

2002年3月15日，日本研發的地球模擬器，能夠在1秒鐘內完成基于地球10公里單元精度的整個地球的大氣循環預測、溫室化預測、地殼變動、地震發生等大規模計算模擬任務，這項任務如果交給一個人使用計算器來完成的話，需要花上3000萬年。

我國也十分重視地球系統模擬裝置的建設。2013年國務院印發的《國家重大科技基礎設施建設中長期規劃》（2012—2030年）提出，地球系統模擬是衡量地球科學研究綜合水平的重要標志，是開展氣候變化、防災減災和環境治理等科學研究不可缺少的手段。以認識地球環境復雜系統、模擬地球系統圈層變化和長期氣候變化、精細描述和預測地球物理化學及生物過程等為目標，建設地球系統數值模擬器，主要包括：超級計算及存儲專用系統，超級模擬支撐與管理軟件系統，地球各層圈過程模擬軟件系統，地球系統科學數據庫與海量數據智能分析與可視化系統等。

由中科院大氣所等承擔的“地球數值模擬裝置”于2018年11月開工建設，該模擬裝置建立了面向地球科學的高性能計算機原型系統和地球系統數值模擬可視化系統兩個平臺，在基于地球系統數值模擬并行軟件支撐框架下，開發出包括有完整的氣候系統、生態環境模式及其耦合的地球系統模式和區域高分辨率大氣污染模式，建立新一代我國短期氣候預測系統并開展預測試驗，同時開展關鍵區域的災害性天氣預報和空氣質量預報試驗，為國家防災減災、應對氣候變化、大氣環境治理等重大問題提供科學支撐；推動地球系統科學不同學科之間的學科交叉和融合。

黃河模擬器是服務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、人類活動等相互作用組成的一個復雜的流域尺度的地球系統。黃河模擬器從本質上說是基于國家超級計算鄭州中心的超級計算機系統的流域尺度的地球模擬裝置，主要包括理論峰值計算能力100Pfbps的超級計算機系統及100PB的存儲專用系統，超級模擬支撐與管理軟件系統，黃河流域水沙動態模擬、陸表模擬數值模式等軟件系統，黃河流域數據庫與海量數據智能分析與可視化系統等，可科學揭示、模擬與預測黃河流域“天上下雨、地上流”的內在規律，支撐黃河流域生態保護和高質量發展。

為分類精準施策提供科學依據

要落實好讓黃河成為造福人民的幸福河的目標，就必須堅持科技支撐，創新驅動，從流域系統整體出發，圍繞黃河流域水資源、生態保護與可持續發展這一核心科學問題，通過構建黃河模擬器，基于對地觀測技術、遙感、衛星導航與定位、地理信息、超級計算等技術，實現對黃河流域的遙感、定位觀測等海量數據的匯聚、存儲、管理，對所需要的要素類型進行智能化的提取；構建建設匹配水循環模擬仿真和多方案智能決策的并行計算框架；開發包括流域水文氣象、水土流失、水沙動態演進、洪水預報預警、庫群聯合調度、流域調水等流域—區域水循環數值模擬仿真組件；基于黃河流域多源、多尺度、多類型、大規模綜合觀測數據以及與空間信息、地學知識、應用模型關聯融合、決策服務支持等關鍵技術，形成超大規模計算集群支持下的決策服務與多維實時可視能力的高效并行化模擬系統，實現對黃河流域干支流、左右岸、上下游的生態保護和經濟社會發展的高性能計算模擬、仿真與預測，通過因地制宜，分類精準施策，有效破解黃河流域發展中存在的洪水風險是最大威脅、生態環境依然脆弱、水資源保障形勢嚴峻、發展質量有待提高等“表象在河道、根子在流域”的問題。（作者單位：鄭州大學地球科學與技術學院）

媒體鏈接：http://newpaper.dahe.cn/hnrb/html/2021-02/03/content_473617.htm