破解雾霾 HPC能做什么？

编者按：雾霾已经成为困扰中国城市尤其是大型城市发展的一大难题，如何还城市一片蓝天，成为每一个城市市民关注的焦点。治理雾霾涉及方方面面，从工业转型到更多清洁新型能源的采用;从节能减排到推动智能交通、绿色出行;从政府到普通百姓，每一个人都可以发挥更积极的作用。在治理雾霾的过程中，IT可以做什么?环保部门又有哪些问题期待IT来参与?为此《中国电子报》特推出“关注雾霾系列报道”，多维度报道治理雾霾解决方案以及领先技术，希望更多的IT厂商、更多的产业力量群策群力参与到“治霾”行动中。

这几年，雾霾逐渐成为笼罩在中国城市上空和人们心中的“阴云”，困扰着每一个生活在城市中的百姓。雾霾从哪里来?又将到哪里去?我们又应该如何治理成为关注的焦点。IT企业应该从哪里切入?如何利用IT技术来为“治霾”做出贡献?最近，由中国环境监测总站、中国科学院大气物理研究所(以下简称中科院大气所)、曙光信息产业股份有限公司、清华大学等多家机构联合研发的一体化雾霾预报预警系统上线正式运行，这套系统从研发到原型机上线再到正式运行，其背后的经验能够对IT企业如何参与“治霾”有着重要的借鉴意义。

联合是破题的关键

治理雾霾的前提是必须了解其成因，知道它们从哪里来又将去往哪里。

治理雾霾的前提是必须了解其成因，知道他们从哪里来又将去往哪里。在过去，国家环保部门只负责环境监测，并没有提供雾霾预报、预警的职能和能力，而这样的预报和预警能力是治霾行动中的重要环节，一定需要补齐。2012年年初，公司总部设立在北京、并且同样身临其境深受其害的曙光公司开始意识到预报预警雾霾将成为一个日益紧迫的课题，有着巨大的社会需求，也是曙光公司可以为社会有所贡献的一个领域。

此前曙光公司多年来一直为国家气象机构提供HPC(高性能计算)来为气象预报提供服务。曙光公司意识到气象预报与雾霾预报有一定的相似之处，都需要大量、高速的运算能力，不同的是数据源和计算模型不一样。当环境监测部门把各个监测点的数据汇集起来，需要一个庞大的计算能力来模拟雾霾的形成和演绎它的走向，通过不断模拟真实的走向，获得精准的空气质量计算模型，最后实现精准的雾霾预报与预警。要做这样的系统曙光有“硬”的计算能力，但缺乏了解“雾霾”领域的“软”能力。于是在中国环境总站的牵头下，由曙光公司联合中科院大气所、清华大学等多方科研机构一起来研制出一套一体化的雾霾预报预警、来源解析和政府辅助决策系统。

这个系统2012年年初立项，2013年5月原型系统测试上线，2014年12月正式上线，现在这个系统可以较准确地预报未来3~7天，甚至更长时间的雾霾情况，并具备潜势预测能力以及污染源贡献追因能力。大家熟知的“APEC蓝”的实现就参考了类似的决策系统。在APEC举办之前，国家可根据环保一体机所提供的预报，进行相关行业的紧急改制。提前得知雾霾情况，找到雾霾成因，并及时实施防霾措施，在有效时间内确保雾霾不再形成，确保“APEC蓝”在会议期间的如约而至。这个项目从立项到正式上线用了1年多的时间，之所以能够如此快速地从项目立项到完成原型机推出到正式上线，很重要的原因是采用联合研发的模式并且大家有合作和开放心态，曙光公司副总裁邵宗有对《中国电子报》记者坦言：“破解雾霾的难题，是一个大系统，需要很多维度的资源一起碰撞才能够去解决。”

邵宗有坦言，曙光一体化的雾霾预报预警之所以能够快速上线的另外一个原因是客户直接参与研发，中国环境监测总站以及各地环保部门用户把非常关键的一线需求准确地提出来，也是加快这个项目快速落地的原因。目前中国各地的环保机构缺乏相关懂环境懂IT的技术人才，尤其是懂得高性能模式计算的人才，他们都希望有这样的“雾霾一体机”，只要将各种监测数据输入进去，“雾霾一体机”就能够自己运算出相关的结果。现在曙光公司正在把这个雾霾预测系统做成软件与硬件集成的一体机系统推向各地的环保站，帮助各地环境监测部门解决雾霾预报预警系统易用性的问题。

用好大数据超算需提高“软实力”

排放清单和空气质量模型是影响预测准确率的关键。

邵宗有介绍，目前雾霾的预报分为统计预报和多模式集合数值预报，这次曙光公司联合多家科研机构研发的“雾霾一体机”采用的是多模集合数值预报。统计预报主要是基于监测数据进行的统计分析预报，只能是对过去的雾霾发生进行分析，无法对未来做更精准的预报和预警。而多模式集合数值预报系统则是根据计算机模型与实际监测数据进行同化拟合，利用大规模超级计算机进行海量并行计算，从而对环境问题的发展进行预测和分析的数值模拟过程，多模式集合数值预报更精准而技术难度也更大，因为国内甚至国际上，都没有现成的东西。国际上目前比较流行的还是单模式预报。现在曙光联合多家科研机构研发的雾霾集成系统目前的一般预报水平，未来3天准确率在50~80%%左右，并可对未来7天的污染潜势进行预报，应该说在预报的准确率上是已经获得了很大突破。

邵宗有同时坦言，雾霾预报准确率是个科学问题，取决于多方面的因素，包括污染排放清单的实时性和准确性、气象初始场的准确性、预报模式的科学性和准确性、数值计算的准确度等多方面，尤其是排放清单和空气质量模型是影响预测准确率的关键。目前排放清单和空气质量模式等都还在不断发展过程中，而这两个维度的研发仍有很大的发展空间，需要和其他环保研究机构更多贡献力量。而曙光公司提供的雾霾预报一体机可以支持污染排放清单的定期更新和模式参数的动态调节，方便环保用户根据本地大气污染特点进行进一步调整和优化。

事实上，在推动计算机来破解各行各业难题的时候，计算机更多的是提供一个更灵活、更高效和更超强的计算能力，这其中的“行业计算模型”正确与否更是破题的关键，而解决每一个领域的问题，都需要建立一个该领域问题的计算模型，这些行业计算模型的寻找既需要行业经验也需要强大数学能力，考验的是真正的“软实力”。

目前，大数据和超算实际上已经深入到我们生活的方方面面，从航空航天、汽车船舶制造，到生物基因研究、基因健康诊断，甚至我们看到3D大片，石油勘探环节，几乎所有的细分的科学研究等等，都离不开大型超级计算机的支持，可以说超级计算机已经成为国家科技研究的基础设施，而且超级计算机仍然有很多应用场景有待开发，超级计算机还可以破解更多的现实难题。邵宗有说，现在，中国在高性能计算、超级计算机领域不断获得突破，在各种比赛中不断刷新计算记录，但是和计算“硬实力”相比我们在高性能计算领域的“软实力”仍有很大的提升空间，期待更多行业企业、研究机构参与到超级计算机软件的研发中来。