向國際開源！我國海洋數值預報模式 如何服務海洋強國建設？

自然資源部國家海洋環境預報中心自主研發的“媽祖”系列海流和海浪數值預報模式源代碼，近日正式向國際國內開源，為海洋預報業務發展、海洋科學研究等貢獻中國智慧和中國方案。

洋，是海洋的中心部分；海，則是洋的邊緣。在海洋之間，海流和海浪是其最重要的運動方式。作為地球表面面積最大的液態水體，海洋如何運動，如何帶動地球內外部圈層間的交換，進而影響氣候變化，需要通過精確的數學物理模式來認知。

海洋數值模式是海洋預報業務和海洋科學研究的核心工具，其重要性堪比“晶片”在資訊産業中的地位。我國如何通過數值預報模式解構海洋運動奧秘，讓“藍色智慧”成果服務海洋強國建設，進而惠及全球？

海洋運動是地球尺度的現象

地球表面71%是海洋，而陸地面積僅佔29%；和廣袤無垠的海洋相比，人類顯得無比渺小。那麼，大多數時間生活在陸地上的我們，想要關心海洋、認識海洋、經略海洋，首先就要去理解海洋的運動是如何進行的。國家海洋環境預報中心重點實驗室副主任原野表示，類似于我們觀察到的大氣運動，比如不同地區、不同高度的大氣進行熱量、動量、水分的互相交換等，海洋也是流體，它的運動也是一個複雜的過程，受到多種因素影響。

原野：“作為大氣層的下墊面，海洋受風力影響，可以産生風生海流、上升流以及海浪、風暴潮等現象。”此外，受地球自轉、太陽輻射和月球、太陽引力等作用，大海的流動還呈現出更加複雜的現象。比如，受月球引力影響，我國近海的天文潮及其引發的潮流非常強烈，甚至一些地方發生了海水倒灌，對人類的直接影響很大。受地球自轉和海面信風和季風的影響，每個大洋還形成了獨特的環流系統，顯著調節著全球和區域的氣候。有暖流經過的海岸，氣候就比同緯度更加溫暖；寒流暖流的交匯處，會帶來豐沛的營養物質，漁業資源豐富等。

海流和海浪，是海洋最重要的運動方式

如原野所説，海流和海浪，是海洋最重要的運動方式。海流是指大範圍的海水流動，通常由風力和地球自轉引起；而海浪則是由風力直接作用在海面上形成的波浪。那麼，如何對海洋的運動進行全方位感知呢？那就不得不從中世紀歐洲的航海者們説起。原野介紹，數百年來，人類認知海洋，經歷了從實際航行、肉眼觀測，到借助浮標、衛星等手段實現遠距離觀測，再到通過智慧化手段匯聚分析觀測數據，進而形成全球海洋數值預報能力的過程。

原野：“歷史上，海洋觀測經歷了多次技術革命。”中世紀歐洲的航海者們通過實際航行經驗逐漸了解海洋的流動規律，例如季風和洋流。19世紀末，人類開始廣泛採用海洋浮標、潛標和漂流浮標等海洋觀測手段，直到今天還在使用。到20世紀後半葉，衛星觀測手段興起，觀測的要素包括水色、海面風、浪高、海溫、鹽度和海冰等。到了今天，我們廣泛提倡“空天海地”立體智慧觀測網，無人滑翔機、水面波浪滑翔器等一些智慧化的海洋觀測設備逐步成為主流，可以根據需要在人類無法到達的海域進行自主探測。這些數據匯流到一起，通過數值模式的計算，就可以形成全球和區域的海洋數值預報能力。

海洋數值模式是海洋預報業務和海洋科學研究的核心工具

從20世紀60年代開始，美國國家海洋和大氣層管理局就開始探索海洋數值預報模式，到90年代，形成了全球海洋數值預報能力。原野解釋，海洋數值預報，就是將不同渠道匯總而來的數據進行同化和融合後，在一定的數值模式下，通過數以千計的高性能電腦進行大規模並行計算，進而描述乃至預報海洋的運動狀態。然而，經過四五十年的發展，美國、歐洲的海洋數值模式一直處於國際領先地位，我國第一台海洋數值預報所使用的高性能電腦、第一個業務化運作的海洋數值預報模式都來源於國外，這使得我國在該領域儘快形成自主發展能力，至關重要。

原野：不能總走引進－吸收－應用的老路，我們國家需要有自己的海洋數值模式。作為海洋預報的國家隊，從2020年開始，我們歷經數年集中攻關，先後完成“媽祖”系列自主海流和海浪數值模式階段性開發工作。這一過程是非常艱難的，也有很多創新性，比如説它是國際上首個具備GPU加速特點的業務化模型，通過計算顯示卡的高並行擴展度和大數據吞吐量的特性，極大加速地球數值模擬速度；這中間經歷不計其數的推倒重來、代碼重構，熬過一個又一個不眠之夜。此外，在海水品質守恒、圖拓撲並行通信等方面的獨創性特點，也都是由我們團隊每一個成員的淚水和汗水堆積出來的。

“媽祖”系列模式參與保障2024年汛期颱風浪應急工作

自然資源部介紹，“媽祖”系列海流和海浪數值預報模式分別可以用於模擬和預測海流和海浪的發展和變化，對於航海、漁業、海洋環境保護等方面非常重要。2021年、2023年，“媽祖·海流”和“媽祖·海浪”海洋數值預報模式分別投入業務化運作，其創新成果均入選當年的“中國海洋十大科技進展”。運作以來，它們解決了哪些實際問題呢？原野透露，在第19屆杭州亞運會帆船比賽期間，該模式減少大型機運作電費數十萬元；在今年汛期“摩羯”“格美”等颱風引發的海洋災害應急工作中，該模式也發揮了重要作用。

原野：帆船比賽中，海浪和海流等海洋環境條件對比賽的安全性和競技性具有重要影響。我們在亞帆賽保障期間，每天輸出未來5天的海浪、海流、海溫數值預報産品；通過GPU加速的特點，使預報計算任務可以在一台小型GPU計算伺服器上快速運作，就減少了大型電腦運作的能源消耗。“媽祖”系列模式還在今年颱風汛期承擔應急預警發佈的工作，為減輕沿海海洋災害風險貢獻力量。

“媽祖”系列海洋數值預報模式開源儀式

據了解，經國內外專家評審和業務化運作評估，目前，“媽祖·海浪”的預報效果已與國際主流海浪模式WaveWatch III相當。在近日舉辦的第九屆世界媽祖文化論壇期間，“媽祖”系列海流和海浪數值預報模式源代碼正式向國際國內開源。原野表示，這將極大促進我國海洋科學軟體開源體系建設，加速拓展模式在海洋防災減災、海洋資源開發利用、海洋科學研究和海洋生態保護等領域的應用，加快模式開發與更新進度，形成滾動研發機制。

原野：在國際上，海洋數值模式代碼也普遍在開源社區發展。模式現在剛剛形成雛形，未來可拓展的方向有很多，需要形成社區開發能力，讓熱心的科研工作者一起參與進來。“媽祖”模式代碼開源後，有助於協助開發團隊進一步拓寬模式應用場景、增強模式解決複雜科學問題的能力；有助於發現和修復模式漏洞，提供模式運作的穩定性和準確性；有助於海洋預報“晶片”團隊與國內海洋科研業務機構建立合作，加快模式開發進度，確保模式生命力，形成滾動研發機制。希望這可以成為我國開源海洋模式的起點，讓中國人自己的海洋預報模式走得更遠；在海洋領域自主創新和高品質發展的今天，我相信這也是建設海洋強國的必由之路。（王澤華）

來源：自然資源部宣傳教育中心