打造黄河流域生态保护的科技支撑

    迫切的信息技术支撑需要

    在刚刚结束的省十三届人大四次会议上，省委书记王国生就贯彻落实新发展理念进行了详尽阐述，对推进黄河流域生态保护和高质量发展提出具体要求，指出，要在生态保护和高质量发展上走在黄河流域前列。黄河流域地域广、水文气象等自然条件多样，黄河水沙变化规律复杂，对黄河的治理目前尚处在经验治黄向科技治黄的起步阶段。存在“小浪底水库调水调沙后续动力不足，水沙调控体系的整合力无法充分发挥。下游防洪短板突出，洪水预见期短、威胁大”等问题，为此，迫切需要加大科技创新对黄河生态保护支撑力度，这其中信息技术的作用非常重要。

    从二十世纪九十年代开始，对地观测、互联网、地理信息、大数据、现代通信、超级计算等新一代信息技术的广泛应用，使得人类对自然界的认识模式从传统的实验观察、理论分析过渡到计算模拟的新阶段。而高效、准确的计算模拟离不开强有力的算力、算法和数据做支撑。

    2020年10月31日，新中国成立以来我省投资最大、峰值计算能力（100Pfbps）和存储规模（100PB）在全国乃至在世界都居前列的国家超级计算郑州中心，通过了科技部验收。地球系统科学是研究地球的演化和各部分相互作用的，由数学、物理、地球科学等多学科相互融合组成，再加上地观测技术、遥感、卫星导航定位、通信技术的发展，实现了对黄河流域全面、快速、系统、智能的感知，并大幅度提升了数据获取能力。国家超级计算郑州中心的成立，无疑为黄河流域高精度多尺度时空大数据的获取、分析提供了有力保障。

    黄河模拟器：实现对黄河流域计算模拟、仿真预测的源头探知

    地球模拟装置是计算机与地球科学研究相结合的产物。地球是由大气圈、水圈、岩石圈、生物圈等组成的复杂系统，是人类赖以生存的家园。自古以来，人类都对地球进行观测、分析，不断揭示春夏秋冬、自然灾变等内在机理。

    近一个世纪以来，由于人类对地球系统认识的日臻完善，现代科学技术手段不断进步而产生了地理现象的观测和数据的积累；对观测数据进行分析和解释，从数学、物理、化学等学科规律出发，建立有关地球过程的定量关系；在前两项的基础上建立概念模型和数学（数值）模型并实验、验证模型，再用模型对未来的变化趋势进行统计预测和预报，这就是地球系统科学。

    在过去的几十年里，由于超级计算机的迅猛发展，由此产生了超级计算机系统与地球系统科学相互融合的地球模拟装置，用于高精度、快速预测地球变化。

    2002年3月15日，日本研发的地球模拟器，能够在1秒钟内完成基于地球10公里单元精度的整个地球的大气循环预测、温室化预测、地壳变动、地震发生等大规模计算模拟任务，这项任务如果交给一个人使用计算器来完成的话，需要花上3000万年。

    我国也十分重视地球系统模拟装置的建设。2013年国务院印发的《国家重大科技基础设施建设中长期规划》（2012—2030年）提出，地球系统模拟是衡量地球科学研究综合水平的重要标志，是开展气候变化、防灾减灾和环境治理等科学研究不可缺少的手段。以认识地球环境复杂系统、模拟地球系统圈层变化和长期气候变化、精细描述和预测地球物理化学及生物过程等为目标，建设地球系统数值模拟器，主要包括：超级计算及存储专用系统，超级模拟支撑与管理软件系统，地球各层圈过程模拟软件系统，地球系统科学数据库与海量数据智能分析与可视化系统等。

    由中科院大气所等承担的“地球数值模拟装置”于2018年11月开工建设，该模拟装置建立了面向地球科学的高性能计算机原型系统和地球系统数值模拟可视化系统两个平台，在基于地球系统数值模拟并行软件支撑框架下，开发出包括有完整的气候系统、生态环境模式及其耦合的地球系统模式和区域高分辨率大气污染模式，建立新一代我国短期气候预测系统并开展预测试验，同时开展关键区域的灾害性天气预报和空气质量预报试验，为国家防灾减灾、应对气候变化、大气环境治理等重大问题提供科学支撑；推动地球系统科学不同学科之间的学科交叉和融合。

    黄河模拟器是服务黄河流域的地球模拟器。黄河流域是地球上由陆地、大气、水系、植被、人类活动等相互作用组成的一个复杂的流域尺度的地球系统。黄河模拟器从本质上说是基于国家超级计算郑州中心的超级计算机系统的流域尺度的地球模拟装置，主要包括理论峰值计算能力100Pfbps的超级计算机系统及100PB的存储专用系统，超级模拟支撑与管理软件系统，黄河流域水沙动态模拟、陆表模拟数值模式等软件系统，黄河流域数据库与海量数据智能分析与可视化系统等，可科学揭示、模拟与预测黄河流域“天上下雨、地上流”的内在规律，支撑黄河流域生态保护和高质量发展。

    为分类精准施策提供科学依据

    要落实好让黄河成为造福人民的幸福河的目标，就必须坚持科技支撑，创新驱动，从流域系统整体出发，围绕黄河流域水资源、生态保护与可持续发展这一核心科学问题，通过构建黄河模拟器，基于对地观测技术、遥感、卫星导航与定位、地理信息、超级计算等技术，实现对黄河流域的遥感、定位观测等海量数据的汇聚、存储、管理，对所需要的要素类型进行智能化的提取；构建建设匹配水循环模拟仿真和多方案智能决策的并行计算框架；开发包括流域水文气象、水土流失、水沙动态演进、洪水预报预警、库群联合调度、流域调水等流域—区域水循环数值模拟仿真组件；基于黄河流域多源、多尺度、多类型、大规模综合观测数据以及与空间信息、地学知识、应用模型关联融合、决策服务支持等关键技术，形成超大规模计算集群支持下的决策服务与多维实时可视能力的高效并行化模拟系统，实现对黄河流域干支流、左右岸、上下游的生态保护和经济社会发展的高性能计算模拟、仿真与预测，通过因地制宜，分类精准施策，有效破解黄河流域发展中存在的洪水风险是最大威胁、生态环境依然脆弱、水资源保障形势严峻、发展质量有待提高等“表象在河道、根子在流域”的问题。

    （田智慧 赫晓慧 作者单位：郑州大学地球科学与技术学院）