文丨《瞭望东方周刊》记者史佳庆 编辑陈融雪
长江模拟器决策版“流域水循环”板块示意图（中国科学院地理科学与资源研究所/供图）
远古时期的长江是怎么形成的？现在的长江正在发生什么变化？未来的长江发展有哪些可能？部署在重庆的长江模拟器，正在试图科学地回答这些问题。
“长江模拟器，是一个以长江流域为对象，以流域水循环为纽带，将自然过程与人文过程相耦合的流域模拟系统及科学装置。”作为该项目负责人，中国科学院院士、武汉大学水安全研究院院长夏军称，与现有的国家大科学装置地球模拟器相比，长江模拟器以流域为研究对象，具有更高的空间分辨率和更快的时间响应，能直接服务流域生态文明建设。
如同为长江装上“智慧大脑”， 长江模拟器正在探索防洪减灾前沿的应用与创新。
精细模拟
针对全球变化带来的生态与环境问题，国内外学者已提出和发展了系列地球系统模型。
比如，2002年3月，日本建成地球模拟器；2012年，美国国家海洋和大气管理局地球物理流体动力学实验室开发了地球系统模型；2020年，瑞士大气和气候科学研究所研发出模块化地球系统模拟器；2022年10月，中国科学院大气物理研究所联合清华大学，建成中国的地球模拟器。
“但现有的地球系统模拟器侧重于整个地球系统的刻画，空间分辨率较粗。”夏军称，以地球系统数值模拟装置为例，其最高空间分辨率目前为5千米，不能精细刻画地面生态水文过程，也不能精细刻画人为活动与管理措施对流域生态水文过程的影响，而这些过程的精细模拟对流域水环境水生态的评估、预警、调控必不可少。
基于此，中国科学院于2019年启动“美丽中国生态文明建设科技工程”战略性先导科技专项，开始建设“长江模拟器”科学装置，并在重庆市政府的支持下，开展示范基地建设工作。
“长江模拟器的核心模型是流域生态水文模型，旨在精确模拟整个流域的水文过程。此外还有相关专业模型，模拟河道汇流过程、污染物入河过程、河道水动力过程、河道水生态过程等。为实现快速响应，我们对专业模型进行了源代码并行处理优化。”中国科学院地理科学与资源研究所副研究员林忠辉向《瞭望东方周刊》解释道，长江流域180万平方千米，被细分为180万个网格，每1个网格代表1平方千米的区域，每个网格的降雨产流过程都独立运算。当成百上千台服务器组成集群并行计算，可极大提升长江模拟器的运算效率。
目前，长江模拟器湖泊水动力模拟的空间分辨率为500米，河道水动力模拟的空间分辨率为100米，城市内涝模拟可精准到米级尺度。
助力决策
“目前，我们已构建一系列流域水系统模拟专业模型，并开展了水环境、水生态、水量等多种类型的调控模拟研究。”林忠辉介绍，长江模拟器具有“监测—模拟—评估—预警—决策—调控”一体化功能。
长江模拟器不仅模拟分析了近40年和未来30年全流域水文循环的时空变化特征，还基于15天短期天气预报数据，实现了流域水文情势的滚动预报；不仅能预报各水文响应单元的产流、土壤湿度、蒸散发变化，还可预报干支流关键断面的流量、水位变化，预报鄱阳湖、洞庭湖的水情变化。
“以前，相关部门进行洪水预报时，多依赖于统计模型分段预报；现在，通过长江模拟器，我们可以同时报告长江干流和重要支流任意区段不同降水模式下、三峡水库不同调度方式下的流量和水位变化过程。”林忠辉说。
这种模拟能力为相关部门处理复杂的水文-水质-水生态问题提供了全新的智力支撑。比如，在长江模拟器上模拟三峡水库的调度，可深入分析其对库区下游的影响；模拟鄱阳湖近40年和未来30年湖泊水文水动力过程，可分析鄱阳湖建闸的水文情势变化及其对候鸟栖息地的影响。
值得一提的是，长江模拟器除了模拟预测河流的水文过程，还可以模拟城市的内涝演进过程。以武汉为例，长江模拟器可根据未来24小时逐时天气预报数据，对城市内涝演进过程精确预报。
“这对城市的防洪救灾有重要意义。”林忠辉表示，“团队已开展长江流域旱涝情势的中长期预测，为国家防汛抗旱工作的早期部署提供了有力支撑。”
仍待精进
2024年6月，“长江模拟器研发及其应用”入选2023年度中国生态环境十大科技进展。
中国工程院院士、中国科协生态环境产学联合体主席、中国环境科学学会理事长王金南称，当前，中国经济社会发展已进入加快绿色化、低碳化的高质量发展阶段。2023年度入选的中国生态环境十大科技进展，反映了中国生态环境领域最新前沿动态，将在引领生态环境领域科技创新，营造全社会创新氛围，提高公众环境意识等方面起到积极作用。
对此，林忠辉称，长江模拟器研发及应用的意义在于，响应“共抓大保护、不搞大开发”“生态优先、绿色发展”的号召，为长江流域水环境水生态问题系统性诊断、分类分区协同治理、绿色发展评估、流域水系统调控提供科学支撑；同时，支撑《中华人民共和国长江保护法》顺利实施，为流域统筹协同治理与智慧化管理提供科学支撑。
但在夏军看来，当前研发的长江模拟器，只能算是大型流域模拟的初代装置，与规划的目标与理论框架之间还有相当距离。
比如，长江模拟器初步开发了流域面源和点源污染模拟模型，可精细表达径流路径差异对污染物迁移过程的影响，识别污染物关键源区和关键时段，能直接对接管理防控需求，但限于水质监测资料的共享限制、点源污染源精细分布空间信息掌握不足，其模拟精度还有很大的提升空间。
夏军建议，可考虑将长江模拟器列入国家重大科技基础设施建设，通过集成不同监测技术、模型方法、治理及灾害管理技术等，实现跨行业和部门的模型融合，服务长江经济带高质量绿色发展；尽快整合全国优势力量，依托长江模拟器开展面向鱼类和江豚保护的三峡水库生态调度试验，为持续完善生态调度工作提供科学支撑。
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