長(zhǎng)江有了模擬器

目前，長(zhǎng)江模擬器湖泊水動(dòng)力模擬的空間分辨率為500 米，河道水動(dòng)力模擬的空間分辨率為100米，城市內(nèi)澇模擬可精準(zhǔn)到米級(jí)尺度。

遠(yuǎn)古時(shí)期的長(zhǎng)江是怎么形成的？現(xiàn)在的長(zhǎng)江正在發(fā)生什么變化？未來的長(zhǎng)江發(fā)展有哪些可能？部署在重慶的長(zhǎng)江模擬器，正在試圖科學(xué)地回答這些問題。

“長(zhǎng)江模擬器，是一個(gè)以長(zhǎng)江流域?yàn)閷?duì)象，以流域水循環(huán)為紐帶，將自然過程與人文過程相耦合的流域模擬系統(tǒng)及科學(xué)裝置。”作為該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，中國(guó)科學(xué)院院士、武漢大學(xué)水安全研究院院長(zhǎng)夏軍稱，與現(xiàn)有的國(guó)家大科學(xué)裝置地球模擬器相比，長(zhǎng)江模擬器以流域?yàn)檠芯繉?duì)象，具有更高的空間分辨率和更快的時(shí)間響應(yīng)，能直接服務(wù)流域生態(tài)文明建設(shè)。

如同為長(zhǎng)江裝上“智慧大腦”， 長(zhǎng)江模擬器正在探索防洪減災(zāi)前沿的應(yīng)用與創(chuàng)新。

精細(xì)模擬

針對(duì)全球變化帶來的生態(tài)與環(huán)境問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出和發(fā)展了系列地球系統(tǒng)模型。

比如，2002年3月，日本建成地球模擬器；2012年，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局地球物理流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了地球系統(tǒng)模型；2020年，瑞士大氣和氣候科學(xué)研究所研發(fā)出模塊化地球系統(tǒng)模擬器；2022年10月，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所聯(lián)合清華大學(xué)，建成中國(guó)的地球模擬器。

“但現(xiàn)有的地球系統(tǒng)模擬器側(cè)重于整個(gè)地球系統(tǒng)的刻畫，空間分辨率較粗。”夏軍稱，以地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置為例，其最高空間分辨率目前為5千米，不能精細(xì)刻畫地面生態(tài)水文過程，也不能精細(xì)刻畫人為活動(dòng)與管理措施對(duì)流域生態(tài)水文過程的影響，而這些過程的精細(xì)模擬對(duì)流域水環(huán)境水生態(tài)的評(píng)估、預(yù)警、調(diào)控必不可少。

基于此，中國(guó)科學(xué)院于2019年啟動(dòng)“美麗中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)科技工程”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，開始建設(shè)“長(zhǎng)江模擬器”科學(xué)裝置，并在重慶市政府的支持下，開展示范基地建設(shè)工作。

“長(zhǎng)江模擬器的核心模型是流域生態(tài)水文模型，旨在精確模擬整個(gè)流域的水文過程。此外還有相關(guān)專業(yè)模型，模擬河道匯流過程、污染物入河過程、河道水動(dòng)力過程、河道水生態(tài)過程等。為實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，我們對(duì)專業(yè)模型進(jìn)行了源代碼并行處理優(yōu)化。”中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所副研究員林忠輝向《瞭望東方周刊》解釋道，長(zhǎng)江流域180萬平方千米，被細(xì)分為180萬個(gè)網(wǎng)格，每1個(gè)網(wǎng)格代表1平方千米的區(qū)域，每個(gè)網(wǎng)格的降雨產(chǎn)流過程都獨(dú)立運(yùn)算。當(dāng)成百上千臺(tái)服務(wù)器組成集群并行計(jì)算，可極大提升長(zhǎng)江模擬器的運(yùn)算效率。

目前，長(zhǎng)江模擬器湖泊水動(dòng)力模擬的空間分辨率為500米，河道水動(dòng)力模擬的空間分辨率為100米，城市內(nèi)澇模擬可精準(zhǔn)到米級(jí)尺度。

助力決策

“目前，我們已構(gòu)建一系列流域水系統(tǒng)模擬專業(yè)模型，并開展了水環(huán)境、水生態(tài)、水量等多種類型的調(diào)控模擬研究。”林忠輝介紹，長(zhǎng)江模擬器具有“監(jiān)測(cè)—模擬—評(píng)估—預(yù)警—決策—調(diào)控”一體化功能。

長(zhǎng)江模擬器不僅模擬分析了近40年和未來30年全流域水文循環(huán)的時(shí)空變化特征，還基于15天短期天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了流域水文情勢(shì)的滾動(dòng)預(yù)報(bào)；不僅能預(yù)報(bào)各水文響應(yīng)單元的產(chǎn)流、土壤濕度、蒸散發(fā)變化，還可預(yù)報(bào)干支流關(guān)鍵斷面的流量、水位變化，預(yù)報(bào)鄱陽湖、洞庭湖的水情變化。

“以前，相關(guān)部門進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)時(shí)，多依賴于統(tǒng)計(jì)模型分段預(yù)報(bào)；現(xiàn)在，通過長(zhǎng)江模擬器，我們可以同時(shí)報(bào)告長(zhǎng)江干流和重要支流任意區(qū)段不同降水模式下、三峽水庫不同調(diào)度方式下的流量和水位變化過程。”林忠輝說。

這種模擬能力為相關(guān)部門處理復(fù)雜的水文-水質(zhì)-水生態(tài)問題提供了全新的智力支撐。比如，在長(zhǎng)江模擬器上模擬三峽水庫的調(diào)度，可深入分析其對(duì)庫區(qū)下游的影響；模擬鄱陽湖近40年和未來30年湖泊水文水動(dòng)力過程，可分析鄱陽湖建閘的水文情勢(shì)變化及其對(duì)候鳥棲息地的影響。

值得一提的是，長(zhǎng)江模擬器除了模擬預(yù)測(cè)河流的水文過程，還可以模擬城市的內(nèi)澇演進(jìn)過程。以武漢為例，長(zhǎng)江模擬器可根據(jù)未來24小時(shí)逐時(shí)天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，對(duì)城市內(nèi)澇演進(jìn)過程精確預(yù)報(bào)。

“這對(duì)城市的防洪救災(zāi)有重要意義。”林忠輝表示，“團(tuán)隊(duì)已開展長(zhǎng)江流域旱澇情勢(shì)的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，為國(guó)家防汛抗旱工作的早期部署提供了有力支撐。”

仍待精進(jìn)

2024年6月，“長(zhǎng)江模擬器研發(fā)及其應(yīng)用”入選2023年度中國(guó)生態(tài)環(huán)境十大科技進(jìn)展。

中國(guó)工程院院士、中國(guó)科協(xié)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)學(xué)聯(lián)合體主席、中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)王金南稱，當(dāng)前，中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展已進(jìn)入加快綠色化、低碳化的高質(zhì)量發(fā)展階段。2023年度入選的中國(guó)生態(tài)環(huán)境十大科技進(jìn)展，反映了中國(guó)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域最新前沿動(dòng)態(tài)，將在引領(lǐng)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域科技創(chuàng)新，營(yíng)造全社會(huì)創(chuàng)新氛圍，提高公眾環(huán)境意識(shí)等方面起到積極作用。

對(duì)此，林忠輝稱，長(zhǎng)江模擬器研發(fā)及應(yīng)用的意義在于，響應(yīng)“共抓大保護(hù)、不搞大開發(fā)”“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的號(hào)召，為長(zhǎng)江流域水環(huán)境水生態(tài)問題系統(tǒng)性診斷、分類分區(qū)協(xié)同治理、綠色發(fā)展評(píng)估、流域水系統(tǒng)調(diào)控提供科學(xué)支撐；同時(shí)，支撐《中華人民共和國(guó)長(zhǎng)江保護(hù)法》順利實(shí)施，為流域統(tǒng)籌協(xié)同治理與智慧化管理提供科學(xué)支撐。

但在夏軍看來，當(dāng)前研發(fā)的長(zhǎng)江模擬器，只能算是大型流域模擬的初代裝置，與規(guī)劃的目標(biāo)與理論框架之間還有相當(dāng)距離。

比如，長(zhǎng)江模擬器初步開發(fā)了流域面源和點(diǎn)源污染模擬模型，可精細(xì)表達(dá)徑流路徑差異對(duì)污染物遷移過程的影響，識(shí)別污染物關(guān)鍵源區(qū)和關(guān)鍵時(shí)段，能直接對(duì)接管理防控需求，但限于水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料的共享限制、點(diǎn)源污染源精細(xì)分布空間信息掌握不足，其模擬精度還有很大的提升空間。

夏軍建議，可考慮將長(zhǎng)江模擬器列入國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，通過集成不同監(jiān)測(cè)技術(shù)、模型方法、治理及災(zāi)害管理技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)和部門的模型融合，服務(wù)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶高質(zhì)量綠色發(fā)展；盡快整合全國(guó)優(yōu)勢(shì)力量，依托長(zhǎng)江模擬器開展面向魚類和江豚保護(hù)的三峽水庫生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)，為持續(xù)完善生態(tài)調(diào)度工作提供科學(xué)支撐。