应对灾害连锁反应和制定应急预案,迫切需要地球系统科学
5月12日,四川汶川地区发生7.8级特大地震。截至5月14日,四川地震重灾区面积达到6.5万平方公里,涉及到阿坝、绵阳、德阳、成都、广元、雅安等6个市、州,严重受灾的县区达到44个,受灾乡镇1061个,人口大约2000万人,根据有关方面介绍
地震发生后,温家宝总理马上赶赴灾区现场。党中央、国务院高度重视抗震救灾,中央政治局常委会两次召开会议,进行周密部署,胡锦涛总书记等党和国家领导人在紧张指挥抗灾的同时,还带头捐款。
灾难面前,救人是第一位的,后续工作也很繁重。除了交通运输、信息通讯、电力等损失外,还必须关注灾害后的连锁反应。我国西南各省及岭南山地本来就是滑坡、泥石流等地质灾害多发地区,此次灾害很可能诱发更多的滑坡、泥石流等次生灾害。灾害链锁反应的规律告诉我们,“各人自扫门前雪”的预案和措施,对于重大自然灾害预警预报是很不完善的。
监测、诊断和制定防灾治灾方案,既要考虑自然要素,又要考虑经济、社会和人文要素,这些要素要在动态中不断加以调整。正本清源,需要从根本上研究地球的形成、演变和发生发展过程,需要对地球系统进行全面系统的“体格检查”,作出“诊断”,科学地提出防治灾变的方案,进行规划、设计以及组织工程实施。
如果我们能够借助信息技术等高科技手段模拟地球系统的运动,那么在面对大范围灾害时,就能准确、快速、及时地获取数据和信息,做出快速有效的预测和预报,制订出比较全面的预警预案。
地球系统模拟网络平台就是这样一个平台。地球系统模拟网络是一个先进的大型计算机网络系统,可以高效、快速地模拟地球上大气、海洋、地球物理、地球化学、生态、环境等诸多领域的动态变化过程,随时发现生态环境条件的异常和突变,监测某些地区的灾害发生的性质、范围和规模,定位定量地预测灾害的发生时段,事先制订出应急反应的预案,评估可能的损失以及恢复重建的规划,未雨绸缪,防患未然。
需要特别指出的是:它模拟的是整个地球系统,而不是人为地划分行业、学科或领域来研究,否则将坐井观天,难窥全貌!
自然科学和工程技术的发展,使地球系统研究成为可能
钱学森先生在1965年提出:“地球系统是一个复杂的开放性巨系统”,是统揽地球科学、生物学,乃至社会和经济科学领域的大系统,是人与自然协调可持续发展的枢纽,是高屋建瓴的大学问。但当时,由于条件所限,日本等发达国家在地球系统上的尝试都以失败告终。
经过近年来的发展,我国自然科学和工程技术都有了很大的进步,使地球系统研究成为可能。
在自然科学方面,许多分支新兴学科的发展为高层次的宏观统筹提供了坚实的科学基础。以中国科学院为例,经过近60年的发展,仅在资源环境领域就建立了20多个研究所,分工很细,不仅有大气、海洋、地质、地球物理、地理、动物、植物等古老学科,还成立了湖泊、沼泽(湿地)、山地、沙漠、冰川、冻土等许多新领域研究所。同时,在学科分工的广度和深度上也有很大的发展。
在工程技术的支持条件方面,改革开放以后,中国科学技术突飞猛进。现在,信息技术不仅普遍应用于地球科学领域的气象、海洋领域的数值预报、动力模型、空间统计分析方面,在固体地球物理、地球化学、生命基因等领域以及测绘、石油、地震找矿等行业中也达到了相当程度的普及。因此,地球系统研究数字化、信息化水平已有一定的基础。
特别是在航天和遥感领域,我国自主研发的资源―环境系列卫星相继发射成功;气象、海洋、资源、环境卫星已构成业务运行系统,接收台站覆盖范围从本土扩展到欧亚大陆,以及南北极地区域,可为对地观测提供稳定可靠和具有更新能力的数据;目前,中科院遥感卫星地面站已能接收20余种国际遥感卫星的数据。因此,充分利用卫星数据资源以及全球定位系统、北斗卫星和北京小卫星的运行,在全球卫星传输定位、导航、遥感监测方面均占有了一席之地,为地球系统科学研究提供了有利的条件。
建设地球系统模拟网络平台时机比较成熟
1987年世界银行无息贷款12亿美元,支持中国科学规划重大项目,李廷栋院士和我担任其中资源与环境评议组组长,资助了一批国家重点实验室的建设。其时，拨款600万美元,由孙钟秀(时任南京大学副校长)主持,联合北京大学、清华大学在中关村组织建立高校信息网络中心的试点工作,后在教育部的大力支持下,该项目发展成为新一代的分布式科技信息网站,它以北京为中心通过通讯光缆链接重庆、长沙、合肥、上海等几个节点构成网络,实现了数据资源和运算能力的共享,取得了初步的成功经验。
2002年8月,政府部门制订了21世纪“十金工程”规划,积极推进海关、银行、邮政、铁路、航空、公路、海运等产业部门的信息网建设,其中铁路航空等部门的VAST通讯网络系统率先完成并开展业务运行,为调控人流、物流、能流提供及时信息服务。
高性能百万亿次/秒的超级计算机已列入中长期科技规划。自主设计和装备高性能的网络节点指日可待。
地球系统模拟网络平台的整体框架
地球系统模拟网络平台以当今信息社会和卫星时代的科学技术是完全可以实现的,它不再是科幻小说,也不是神话,其整体框架大概可以描述如下:
●地球系统模拟网络平台应拥有多学科、各行业、遍布全球的全国监测台站网络接口。它能随时可以采集大气、海洋、陆地各圈层的动态变化的数据,以及人类社会的经济活动(包括人流、物流、资金流、信息流和交通通信运输设施)的能力。它既包括自然、生态、环境方面的长期记录,也包括人文、社会、经济、文化、历史方面的空间统计。
●地球系统模拟网络平台应是一个分布式地理空间数据库,具备采集、存储、分发海量数据资源和检索查询功能,比现在的google等更加全面而且强大得多。
●地球系统模拟网络平台应具备高速高效的传输和交换能力,由光纤光缆、卫星通讯分层次连通,既能分层与国家中心串联,又能随时切换使几个区域之间并联。根据需求,它既能实现行业内的纵向联通,又能跨省市跨流域横向连接,达到数据库资源和格网计算(Gridcomputing)能力共享。●地球系统模拟网络平台在管理体制上必须由国家委员会统一领导,按公司治理结构组织实施。要做到统筹兼顾、分工协调、集中管理、有偿服务;必须克服部门各自为政、地方和部门分割的现象。先进的科学技术系统,如果没有人与自然协调、社会和谐的保证,只能成为实验样品,最终将不能形成社会产品。
因此,要从根本上加强科学宏观调控,提高应急反应和防灾救灾能力,我们认为,加强地球系统科学研究,建设地球系统模拟网络平台是落实科学发展观最关键的一步。(本文作者为中国科学院院士,中国科学院地理科学与资源研究所研究员,中国科学院遥感应用研究所研究员)
