从一公里的粗网格到以米为单位的细网格

山地灾害预警 有“图”有真相

　　7月18日一早，中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所研究员邹强的手机短信提醒铃声响起。“2022年07月18日05时山洪泥石流预警：未来2小时凉山州小流域预警黄色72个，橙色10个，红色0个；隐患点预警黄色86个，橙色9个，红色0个。”睡眼惺忪的邹强看了一眼屏幕，瞬间清醒了。
　　这是中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所搭建的山地灾害风险模拟与险情预报平台传来的预警消息。进入主汛期后，连日来，四川省地质灾害指挥部办公室持续发布全省地质灾害气象风险黄色预警。而平台的试点区域凉山彝族自治州，正是四川省山地灾害多发的地区之一。
　　这是全国首个山地灾害风险模拟与险情预报系统平台，率先完成横断山区28904个小流域致灾模拟参数计算和建库工作，实现了当前国际国内灾害风险区域等级预报向精细化险情预报的突破……
□四川日报全媒体记者 文露敏
模拟与预报
山地灾害，心中有“图”
　　在中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所办公楼的一层大厅墙壁上，一块电视屏幕中正闪烁着橙色、黄色和蓝色的小点。
　　这些小点同时出现在邹强办公室的电脑屏幕上。6万多平方公里的凉山州被缩放成一小块倒三角形状的区域，其中3个小点尤为打眼——喜德县李子乡的蒋家沟、冕宁县河边镇的卧巴沟、金阳县青松乡一条编号为0132的无名沟，这些地方的地灾预警分级都被定为“橙色”。
　　“这样精准到小流域的山地灾害预报是以前想都不敢想的。”邹强表示。当前，山地灾害还多是模糊的区域等级预报，“比如，电视台会播报哪个市有地质灾害气象风险，但没有考虑灾害过程，难以满足防灾减灾的现实需求。”
　　面对山地灾害，如何让心里更有数？2019年，中国科学院A类战略性先导科技专项“美丽中国生态文明建设科技工程”正式启动。其中，中国科学院院士、中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所研究员崔鹏承担了“气候变化条件下山地致灾风险绿色调控关键技术与示范”项目。2019年，依托项目研究，山地灾害风险模拟与险情预报平台开始搭建。
　　“这个平台就是要突破精细化、精准化灾害预警预报的瓶颈。”邹强介绍。中国是受山地灾害危害最为严重的国家之一，而西南山区则是我国山地特征最典型的区域，进入汛期，很容易发生山地灾害，使得群众的人身安全和财产安全遭受损失。如果预报能预测到具体的灾害位置和危险特征，将为防灾、救灾提供更为可靠的指导。
　　平台的逻辑很清晰：前期，团队完成了横断山区28904个小流域致灾模拟参数计算和建库工作，并统一编号。在该区域内建立了国内首个山地风险本底时空数据库，包括土地覆盖、植被类型、行政区划、灾害数据、承灾体数据等。
　　之后，借助区域山地灾害危险性评估、小流域阈值法、山洪泥石流动力模型等各种模型，输入历史和实际降水、植被类型、土壤类型、遥感影像等数值，就能计算出区域各小流域降雨径流量、流体密度、流域危险性等关键灾害数值参数，进而实现山洪泥石流形成—运动—致灾全过程动力学模拟及灾害的预报。
　　邹强现场点开喜德县李子乡蒋家沟的橙色小点，一番操作后，这一小流域灾害如何形成、运动、致灾的全过程便呈现在了屏幕上。获取不同时空动力学参数，就能进行灾害风险定量分析。
　　从一公里的粗网格到以米为单位的细网格，不仅是激发因素、灾害判识，还有风险分析、险情预报、风险管理，山地灾害风险模拟与险情预报平台真正地画出了山地灾害“一张图”。
软件与硬件
借算力实现更精准更快速
　　实际上，这一体量巨大的平台并非“平地起高楼”——中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所众多科研人员对山地灾害形成机制、运动过程、致灾机理、灾害风险等方面长期的研究和积累已打下了坚实的基础。
　　然而，2020年，当平台的开发进入关键时刻，团队成员发现，由于涉及的致灾因素很庞杂，计算需求巨大，单凭自身的力量很难实现。“我们要进行实时数据传输和并行计算，比如，一个小流域的计算时间和一百个小流域计算时间要是一样的。同时，预报还必须要精准，这得要依托强大的算力。”邹强说。
　　如何超高速算出并模拟复杂的降雨过程、灾害演进过程并开展基于物理过程的预警预报工作？
　　在中国科学院成都分院位于兴隆湖畔的新园区，中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所两公里开外的地方，拥有强大算力的国家超级计算成都中心（以下简称成都超算中心）提供了解决方案。
　　“我们聚焦的是提升运算速度和精度。”成都超算中心市场推广部运营总监戢阳告诉记者。成都超算中心是西部首家国家超算中心，它内部成千上万个处理器，可以解决科学计算、工程计算、智能计算领域大型复杂计算课题，主机性能位居全球前十。
　　戢阳将山地灾害预警预报领域视作典型的超算型应用：“算天、算地，都需要消耗大量算力，而越快实现预测结果，就能越早疏散群众，减轻财产和生命的损失。”
　　2021年，成都超算中心针对中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所具体需求，完成了技术适配和移植，在基于国产自主的CPU+DCU异构硬件生态上完成了技术适配与移植，解决了因汛期降雨量过大造成的山地灾害高发、频发导致算力不足的问题。区域气象格网精度也达到了1公里×1公里，地面模拟精度则达到5米×5米，极大地提升了模拟精准度。此外，还采用裸纤直连中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所的方式，解决了数据传输效率及信息安全问题。
　　据介绍，基于CPU和DCU大规模并行计算算法，单条泥石流沟道的计算效率比常规模型计算效率提升30倍左右，可用于数十万平方公里范围内所有数千条小流域精细化全过程模拟。
过去与未来
造福更大范围、惠及更多领域
　　过去，数值模拟无法像现在一样考虑沟道侵蚀程度等众多致灾因素，计算一条沟道的泥石流运动过程，有时都需要十几小时甚至几十小时。现在，不只是平台的搭建，无人机的出现、动力学的深入等，使得山地灾害研究领域出现了更多可能。邹强感叹，研究的每一步提升，都离不开不同专业、不同方向的人持之以恒的努力。
　　目前，山地灾害风险模拟与险情预报平台已在凉山州全州范围内成功试运行。“好饭不怕晚。”作为项目负责人，崔鹏常常把这句话挂在嘴边。通过同时搭建起的开放的物理模型引擎平台，不同模块和模型不断进行迭代更新，可实现系统评估效果的持续优化。
　　等到功能更加完善之后，在相关部门的支持与配合下，平台将进一步扩大应用范围，努力实现业务化运行，并且具有向全国其他地区乃至全世界推广应用的潜力和价值——不仅是四川，还有云南、贵州、西藏等地，甚至远至巴基斯坦等国。
　　邹强还提到，公路、铁路的选线、城镇建设规划选址、水电工程规划选址等，都可以借助这一平台的数据体系，“为开展人类活动时考虑灾害风险提供决策支持和科学支撑。”
　　崔鹏介绍，近年来，中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所致力于自然灾害形成机理、风险评估、综合防治与应急减灾等方面的研究，建立起了一系列减灾理论与技术体系，“未来，我们将进一步研发先进技术以支撑灾害早期排查和风险动态评估，研发灾害险情预报系统以提升灾害预测预报预警水平，探索山区绿色减灾模式减少因灾致贫、因灾返贫等，不断加强防灾减灾科技支撑能力，为实现高质量绿色发展提供安全保障。”
　　“今后，成都超算中心也将继续发挥‘算力’的作用，为科技创新、产业发展、城市治理、社会民生不断赋能。”戢阳表示。