中国自主研发的“质量守恒海洋环流数值模式‘妈祖1.0’”发布 处于“领跑”地位

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中国自主研发的“质量守恒海洋环流数值模式‘妈祖1.0’”发布 处于“领跑”地位

央广网北京12月30日消息(记者周尧)据中央广播电视总台中国之声《新闻纵横》报道,29日,一项以“妈祖”命名的海洋环流数值模式正式发布了。由我国自主研发的“质量守恒海洋环流数值模式‘妈祖1.0’”在气候变化评估、海洋科学研究、海洋环境安全保障等领域有重大应用价值。什么是海洋环流数值模式?它又为什么取名“妈祖”?

2021-2030年是联合国“海洋科学促进可持续发展十年”,在6大战略目标中,4个与海洋观测预报紧密相关。海洋观测预报就要依赖于模式工具,妈祖模式团队负责人、研究员于福江介绍,缺少拥有完全自主可控的“中国芯”,是我国海洋预报面临的重要短板。于福江说:“尽管我国的风暴潮、海冰和海啸等海洋灾害数值预报模式都已实现完全自主化,但海洋环流的业务预报和科学研究一直以来依赖美国、欧盟的数值模式。衡量一个国家的海洋预报水平是否达到国际先进行列,一个核心指标是是否拥有系列化、滚动发展的、自主化海洋数值模型。”

那么,什么是海洋环流数值模式?这个模式究竟能预报什么呢?作为海水运动中最复杂、最核心的组成部分,海洋环流可以直接影响台风、厄尔尼诺和拉尼娜现象。通常来讲,主要模拟海水温度、盐度以及流场、海表面高度演变的数值模式,被称为海洋环流数值模式。妈祖模式团队技术骨干、高级工程师逄仁波介绍,在海洋科学领域,模式的重要性就好比计算机“芯片”。逄仁波表示:“我们可以把这个模式理解为一个计算机软件,通过运行这个软件,我们可以了解到全球各个地方海洋中温度的变化、海水的流动情况以及盐度的变化情况。”

海洋对热量的储存和运输是影响气候变化的最关键因素。要想知道海洋是如何储存和运输热量的,就必须精确掌握海水温度、盐度、流动方向和强度的时空变化信息。海洋环流数值模式正是研究这些要素的最有力工具。妈祖模式团队技术骨干、副研究员张宇介绍:“对国民经济,比如渔业生产,你可以知道什么地方营养比较丰富,可能鱼群会比较多一些,或者对海水养殖都是有很重要的参考价值。还有一个对气候变化研究的贡献,海水的流动会把热量带到哪里去,吸的热量多了还是释放的热量多,就决定了我们将来气候是怎么变化的。”

张宇表示,海洋数值模式的研究对象是海洋,将该模式命名为“妈祖”,也寓意着守护海洋安全,保护海洋环境。

基于妈祖模式建立的预报系统,可通过获取卫星、海上浮标等监测数据,掌握全球海洋的海温、海水盐度、海洋环流等多个海洋要素的重要信息,实时在线和更新全球海洋环境变化。简而言之,数值模型越先进、越精准,将有助于我们更好地判断厄尔尼诺和拉尼娜等气候现象。

张宇介绍,当前,国际上通用的模式采用的都是传统体积守恒海洋模型,这一传统模型存在固有缺陷。而此次发布的“妈祖1.0”则采取了全新质量守恒物理框架,有利于对海洋数值进行更加精准的模拟。张宇表示:“以前体积守恒中讲的还是体积不变,时间越长,体积总是不变的,海平面高度实际上是不会变的,它只有动力高度变化,没有热力高度的变化。质量守恒模式就可以既再现动力高度,也可以再现热力高度,所以这是它物理上的创新,就是质量守恒可以精确地模拟(海水)盐度,可以精确地表达气候变化状态下海平面上升或下降的变化。”

此外,在运行效率上,该模式还大大提升了运算速度,逄仁波介绍:“计算7天预报,它的计算时间可能超过1000个小时。所以我们要把它并行化,让它跑在几百台甚至上千台服务器上,让它跑的速度更快,能够在几十分钟之内算出7天的预报结果。”

同时,“妈祖”模式还具备“碳友好”特性,逄仁波表示,相比采用传统的同类模式,“妈祖1.0”能够降低能耗90%以上。逄仁波说:“因为我们模式其实既支持在能耗较高的CPU上运行,也支持在能耗较低的GPU上运行。我们经过统计测算,在能耗较低的GPU上运行,一年可以节省电费200多万。”

目前,欧美国家气象和海洋预报机构正在发展基于GPU计算的超高分辨率海洋和气象数值模式,但均处于实验阶段,“妈祖”海洋环流数值模式的业务化运行在国际上处于“领跑”地位。

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