今日是農(nóng)歷節(jié)氣“白露”?！缎⒕暯?jīng)》中云：“白露”至，“陰氣漸重，露凝而白”，從此后涼意漸濃，夏秋完成交替。

有人戲稱，這個夏天的所有記憶中最多的就是暴跌、暴雨和爆炸。如今，爆炸的濃煙已經(jīng)散去，暴跌則讓許多股民唉聲嘆氣，而暴雨，也把許多美麗的地方變成了災(zāi)區(qū)。

一葉落而知天下秋，如今已經(jīng)到秋天，可是不管落多少片葉子，我們都不知道暴雨會不會收起它的“暴脾氣”。

“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)之未雨綢繆：預(yù)測自然災(zāi)害

關(guān)注暴雨，絕不僅僅是因?yàn)楸┯觋P(guān)乎類似“大閱兵”等重大事件會不會受天氣影響。更重要的是，暴雨的“暴脾氣”會帶來一系列的地質(zhì)災(zāi)害：洪澇、泥石流、山體滑坡……盡管氣象部門根據(jù)短時降雨量將暴雨天氣劃分成藍(lán)、黃、橙、紅色4個預(yù)警信號，但是，目前的天氣預(yù)報也只停留在區(qū)域性的雨量預(yù)測，尚不能精準(zhǔn)地預(yù)測暴雨到底會在哪些地方衍生出哪些地質(zhì)災(zāi)害。

還好，我們即將掌握“科學(xué)算雨法”——

前不久，由中國科學(xué)院大氣物理研究所牽頭，聯(lián)合曙光信息產(chǎn)業(yè)(北京)有限公司 、中科院計算技術(shù)研究所、中科院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心共同打造的“‘地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置’預(yù)研及原型系統(tǒng)建設(shè)” 項目已經(jīng)有了眉目，我國新一代短期氣候預(yù)測裝置——“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)即將面世。

屆時，“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)將借助中科院大氣所長期發(fā)展、積累的“CAS地球系統(tǒng)模式”，在對包括暴雨、臺風(fēng)在內(nèi)的短期氣候、自然災(zāi)害等的預(yù)測中小試牛刀。

“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)之勢在必行：摸清暴雨的“脾氣”

實(shí)際上，“暴雨-滑坡泥石流是怎樣產(chǎn)生的?該怎樣預(yù)報?”一直是地球系統(tǒng)科學(xué)研究中重大科學(xué)問題之一。

我國作為一個多暴雨國家，一到夏半年，除西北個別省區(qū)外，幾乎各省都有暴雨出現(xiàn)。歷時長、面積廣、雨量大的暴雨往往給我國一些地區(qū)造成嚴(yán)重的自然災(zāi)害，除引發(fā)山洪暴發(fā)、山體滑坡、泥石流等威脅人民群眾生命安全的地質(zhì)災(zāi)害之外，暴雨還可能會導(dǎo)致工程失事、堤防潰決和農(nóng)作物被淹等重大經(jīng)濟(jì)損失。數(shù)據(jù)顯示，每年因滑坡泥石流等災(zāi)害死亡人數(shù)占各類自然災(zāi)害死亡人數(shù)25%左右;滑坡泥石流等災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失占地質(zhì)災(zāi)害的80%以上。

因此，摸清暴雨的“脾氣”、對潛在的自然災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)測攸關(guān)重大。

以高性能計算機(jī)系統(tǒng)和地球系統(tǒng)模式為基礎(chǔ)的“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)的建立，使得準(zhǔn)確預(yù)測極端天氣和氣候事件的發(fā)生變得可能。

“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)之獨(dú)占鰲頭 ：克服兩大挑戰(zhàn)

建立起一套有成效的災(zāi)害預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)至少需要克服兩大挑戰(zhàn)。一方面，天氣變化包含了許多空間尺度的過程，這需要多學(xué)科的前沿知識、多種技術(shù)的協(xié)作;另一方面，這套系統(tǒng)需要有一個有效運(yùn)作的平臺，這個平臺不僅需要快速的網(wǎng)絡(luò)通訊及海量存儲設(shè)備，還需要有強(qiáng)大的計算能力和性能優(yōu)異的天氣和泥石流預(yù)報等模型。

大氣所、曙光公司等單位預(yù)研成功的“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)就是這種裝置，雖然它只有計劃裝置規(guī)模的1/10，但它已經(jīng)為應(yīng)對上述兩大挑戰(zhàn)做了充分準(zhǔn)備。

中國科學(xué)院大氣物理研究所在氣候系統(tǒng)模式上具有30多年的設(shè)計研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在生態(tài)、氣溶膠和生物地球化學(xué)模式具有10余年的設(shè)計研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，是目前國內(nèi)具備最完善的模式設(shè)計和開發(fā)能力的機(jī)構(gòu)。除地球系統(tǒng)模式外，地球系統(tǒng)模擬器還集成了區(qū)域高精度大氣污染模擬系統(tǒng)，以探索對大氣灰霾的追因和治理。

硬件方面，曙光公司提供了面向地球科學(xué)的專用型高性能計算機(jī)，總計算能力超過1PFlops(1千萬億次)。HPC采用分區(qū)式機(jī)群構(gòu)建，包括通用計算分區(qū)、耦合計算分區(qū)、分布存儲分區(qū)三個部分，各分區(qū)之間采用基于InfiniBand的3D-Torus網(wǎng)絡(luò)及胖樹網(wǎng)絡(luò)互連，各子系統(tǒng)模式通過通量耦合器實(shí)現(xiàn)它們之間的完整耦合，以實(shí)現(xiàn)多因素的綜合分析，從而降低災(zāi)害預(yù)測的系統(tǒng)誤差。

從原理上看，“地球數(shù)值模擬裝置”原型機(jī)好比是新時代的“欽天監(jiān)”：它會仔細(xì)地觀測自然并記錄歷史數(shù)據(jù)，并對這些觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，然后從物理、化學(xué)和生物學(xué)的規(guī)律出發(fā)，建立起有關(guān)地球過程的各個定量關(guān)系，進(jìn)而建立概念模式和數(shù)學(xué)模型。如果這些模型和模式得到多次驗(yàn)證，地球系統(tǒng)模擬器就能借以實(shí)現(xiàn)對未來的氣候變化趨勢進(jìn)行預(yù)測和預(yù)報。

由此看來，無論是掌握極端天氣和氣候事件的自然規(guī)律，還是認(rèn)清人類活動在過去幾十年中對自然有什么樣的影響，抑或預(yù)測它們在未來的變化，數(shù)值模擬都是目前回答這些問題的最優(yōu)手段。