坐落于曙光大厦前的“地球数值模拟装置”原型机系统

■本报记者 赵广立

刚刚过去的这个夏天，肆虐的暴雨在送来清凉的同时，也给我国多地带来人员伤亡和经济损失。曾有人异想天开：如果事先能够摸清暴雨到底多大，预知它将在何时何地引发何种灾害，当地就能提前做好演练和布防，很多损失就可以避免。

如今，这种异想天开正在逐渐变成现实。地球数值模拟装置就是这样一种能预知自然灾害的“时光机”，通过数值模拟仿真，自然灾害可以在地球系统的模拟装置中“提前发生”。

将自然灾害装进“时光机”

近年来，台风、高温、洪涝等极端天气事件愈发频繁，每年因地质灾害造成的死亡人数居高不下。其中历时长、面积广、雨量大的暴雨往往给我国一些地区造成严重的自然灾害，除引发山洪暴发、山体滑坡、泥石流等威胁人民群众生命安全的地质灾害之外，暴雨还可能会导致工程事故、堤防溃决和农作物被淹等重大经济损失。数据显示，每年因滑坡泥石流等灾害死亡人数占各类自然灾害死亡人数的25%左右；滑坡泥石流等灾害造成的直接经济损失占地质灾害的80%以上。

为了减少灾难、降低损失，最有效的办法是对极端天气事件未雨绸缪。而要摸清天气系统的“脾气”、掌握气候事件的自然规律，甚至预测未来气候变化走向，对地球系统进行数值模拟是目前回答这些问题的最优手段。

大气动力学家、中国科学院院士曾庆存曾在多个场合指出：“地球系统模拟的出现是地球系统科学发展进程中的一个里程碑，其发展水平及模拟能力的高低已成为衡量一个国家地球科学综合水平的重要标志。”

地球系统模拟是结合地球科学和大数据分析的工具，对地球上各项观测信息进行数据挖掘、仿真模拟、进而预测预警的地球科学研究手段。迄今为止，美国、欧盟、日本等发达国家已经陆续建成本国的大型地球模拟装置。日本“水晶球”地球模拟器早在2003年就成功预测了巴西海岸可能出现的热带风暴。

“通过对自然的观测和数据的积累，并对这些观测数据进行分析和挖掘，再从物理、化学和生物学的规律出发建立有关地球过程的定量关系，地球模拟装置就能够建立概念模型和数学模型，通过已验证的模型和模式，实现对未来的变化趋势进行预测和预报。”中科院大气物理所一位从事大气动力学和数值模拟、地球系统模式研究的研究员解释说，地球系统模拟装置好比是自然灾害的“时光机”，可以通过仿真让自然灾害在模拟装置的数学模型中“提前发生”。

地球模拟“原型机”责任重大

不过，要建成一台卓有成效的地球系统模拟装置并非易事，它至少需要克服两大困难。

一方面，天气变化包含了许多空间尺度的过程，这需要多学科的前沿知识、多种技术的协作；另一方面，这套系统需要有一个有效运作的平台，这个平台不仅需要快速的网络通讯及海量存储设备，还需要有强大的计算能力和性能优异的模式模型。

今年3月，中科院大气物理所牵头，中科院计算技术研究所、中科院网络信息中心、曙光信息产业（北京）有限公司共同启动了“‘地球数值模拟装置’预研及原型系统建设”项目，向上述困难发起了挑战。据了解，该项目总投资近1亿元，装置的计算硬件部分采用曙光最新的硅立方系列高性能计算机，该高性能计算机在体系结构、计算密度、存储架构、能效比等各方面均处于国内领先地位。

据了解，作为地球数值模拟装置的预研项目，原型机系统只有计划装置规模的1/10。不过原型机的超过1PFlops（1千万亿次）的计算能力也不容小觑。并且该系统各子系统模式将通过通量耦合器实现它们之间的完整耦合，可以实现多因素的综合分析。

“以高性能计算机系统和地球系统模式为基础的地球模拟装置的建立，使得准确预测极端天气和气候事件的发生变得可能。”曙光公司总裁助理、高性能计算产品事业部总经理曹振南指出，届时“原型机”将借助中科院大气所长期发展、积累的“CAS地球系统模式”，在对包括暴雨、台风在内的短期气候、自然灾害等的预测中小试牛刀。

据消息人士透露，该原型机系统预计将于9月23日正式发布。