自然資源部國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心自主研發(fā)的“媽祖”系列海流和海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式源代碼，近日正式向國際國內(nèi)開源，為海洋預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展、海洋科學(xué)研究等貢獻(xiàn)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(yùn)動(dòng)方式。作為地球表面面積最大的液態(tài)水體，海洋如何運(yùn)動(dòng)，如何帶動(dòng)地球內(nèi)外部圈層間的交換，進(jìn)而影響氣候變化，需要通過精確的數(shù)學(xué)物理模式來認(rèn)知。

海洋數(shù)值模式是海洋預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和海洋科學(xué)研究的核心工具，其重要性堪比“芯片”在信息產(chǎn)業(yè)中的地位。我國如何通過數(shù)值預(yù)報(bào)模式解構(gòu)海洋運(yùn)動(dòng)奧秘，讓“藍(lán)色智慧”成果服務(wù)海洋強(qiáng)國建設(shè)，進(jìn)而惠及全球？

海洋運(yùn)動(dòng)是地球尺度的現(xiàn)象

地球表面71%是海洋，而陸地面積僅占29%；和廣袤無垠的海洋相比，人類顯得無比渺小。那么，大多數(shù)時(shí)間生活在陸地上的我們，想要關(guān)心海洋、認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋，首先就要去理解海洋的運(yùn)動(dòng)是如何進(jìn)行的。國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任原野表示，類似于我們觀察到的大氣運(yùn)動(dòng)，比如不同地區(qū)、不同高度的大氣進(jìn)行熱量、動(dòng)量、水分的互相交換等，海洋也是流體，它的運(yùn)動(dòng)也是一個(gè)復(fù)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(fēng)力影響，可以產(chǎn)生風(fēng)生海流、上升流以及海浪、風(fēng)暴潮等現(xiàn)象。”此外，受地球自轉(zhuǎn)、太陽輻射和月球、太陽引力等作用，大海的流動(dòng)還呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的現(xiàn)象。比如，受月球引力影響，我國近海的天文潮及其引發(fā)的潮流非常強(qiáng)烈，甚至一些地方發(fā)生了海水倒灌，對(duì)人類的直接影響很大。受地球自轉(zhuǎn)和海面信風(fēng)和季風(fēng)的影響，每個(gè)大洋還形成了獨(dú)特的環(huán)流系統(tǒng)，顯著調(diào)節(jié)著全球和區(qū)域的氣候。有暖流經(jīng)過的海岸，氣候就比同緯度更加溫暖；寒流暖流的交匯處，會(huì)帶來豐沛的營養(yǎng)物質(zhì)，漁業(yè)資源豐富等。

海流和海浪，是海洋最重要的運(yùn)動(dòng)方式

如原野所說，海流和海浪，是海洋最重要的運(yùn)動(dòng)方式。海流是指大范圍的海水流動(dòng)，通常由風(fēng)力和地球自轉(zhuǎn)引起；而海浪則是由風(fēng)力直接作用在海面上形成的波浪。那么，如何對(duì)海洋的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行全方位感知呢？那就不得不從中世紀(jì)歐洲的航海者們說起。原野介紹，數(shù)百年來，人類認(rèn)知海洋，經(jīng)歷了從實(shí)際航行、肉眼觀測，到借助浮標(biāo)、衛(wèi)星等手段實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離觀測，再到通過智能化手段匯聚分析觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)而形成全球海洋數(shù)值預(yù)報(bào)能力的過程。

原野：“歷史上，海洋觀測經(jīng)歷了多次技術(shù)革命。”中世紀(jì)歐洲的航海者們通過實(shí)際航行經(jīng)驗(yàn)逐漸了解海洋的流動(dòng)規(guī)律，例如季風(fēng)和洋流。19世紀(jì)末，人類開始廣泛采用海洋浮標(biāo)、潛標(biāo)和漂流浮標(biāo)等海洋觀測手段，直到今天還在使用。到20世紀(jì)后半葉，衛(wèi)星觀測手段興起，觀測的要素包括水色、海面風(fēng)、浪高、海溫、鹽度和海冰等。到了今天，我們廣泛提倡“空天海地”立體智能觀測網(wǎng)，無人滑翔機(jī)、水面波浪滑翔器等一些智能化的海洋觀測設(shè)備逐步成為主流，可以根據(jù)需要在人類無法到達(dá)的海域進(jìn)行自主探測。這些數(shù)據(jù)匯流到一起，通過數(shù)值模式的計(jì)算，就可以形成全球和區(qū)域的海洋數(shù)值預(yù)報(bào)能力。

海洋數(shù)值模式是海洋預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和海洋科學(xué)研究的核心工具

從20世紀(jì)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(shù)值預(yù)報(bào)模式，到90年代，形成了全球海洋數(shù)值預(yù)報(bào)能力。原野解釋，海洋數(shù)值預(yù)報(bào)，就是將不同渠道匯總而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行同化和融合后，在一定的數(shù)值模式下，通過數(shù)以千計(jì)的高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算，進(jìn)而描述乃至預(yù)報(bào)海洋的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。然而，經(jīng)過四五十年的發(fā)展，美國、歐洲的海洋數(shù)值模式一直處于國際領(lǐng)先地位，我國第一臺(tái)海洋數(shù)值預(yù)報(bào)所使用的高性能計(jì)算機(jī)、第一個(gè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的海洋數(shù)值預(yù)報(bào)模式都來源于國外，這使得我國在該領(lǐng)域盡快形成自主發(fā)展能力，至關(guān)重要。

原野：不能總走引進(jìn)－吸收－應(yīng)用的老路，我們國家需要有自己的海洋數(shù)值模式。作為海洋預(yù)報(bào)的國家隊(duì)，從2020年開始，我們歷經(jīng)數(shù)年集中攻關(guān)，先后完成“媽祖”系列自主海流和海浪數(shù)值模式階段性開發(fā)工作。這一過程是非常艱難的，也有很多創(chuàng)新性，比如說它是國際上首個(gè)具備GPU加速特點(diǎn)的業(yè)務(wù)化模型，通過計(jì)算顯卡的高并行擴(kuò)展度和大數(shù)據(jù)吞吐量的特性，極大加速地球數(shù)值模擬速度；這中間經(jīng)歷不計(jì)其數(shù)的推倒重來、代碼重構(gòu)，熬過一個(gè)又一個(gè)不眠之夜。此外，在海水質(zhì)量守恒、圖拓?fù)洳⑿型ㄐ诺确矫娴莫?dú)創(chuàng)性特點(diǎn)，也都是由我們團(tuán)隊(duì)每一個(gè)成員的淚水和汗水堆積出來的。

“媽祖”系列模式參與保障2024年汛期臺(tái)風(fēng)浪應(yīng)急工作

自然資源部介紹，“媽祖”系列海流和海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式分別可以用于模擬和預(yù)測海流和海浪的發(fā)展和變化，對(duì)于航海、漁業(yè)、海洋環(huán)境保護(hù)等方面非常重要。2021年、2023年，“媽祖·海流”和“媽祖·海浪”海洋數(shù)值預(yù)報(bào)模式分別投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行，其創(chuàng)新成果均入選當(dāng)年的“中國海洋十大科技進(jìn)展”。運(yùn)行以來，它們解決了哪些實(shí)際問題呢？原野透露，在第19屆杭州亞運(yùn)會(huì)帆船比賽期間，該模式減少大型機(jī)運(yùn)行電費(fèi)數(shù)十萬元；在今年汛期“摩羯”“格美”等臺(tái)風(fēng)引發(fā)的海洋災(zāi)害應(yīng)急工作中，該模式也發(fā)揮了重要作用。

原野：帆船比賽中，海浪和海流等海洋環(huán)境條件對(duì)比賽的安全性和競技性具有重要影響。我們?cè)趤喎惐Ｕ掀陂g，每天輸出未來5天的海浪、海流、海溫?cái)?shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品；通過GPU加速的特點(diǎn)，使預(yù)報(bào)計(jì)算任務(wù)可以在一臺(tái)小型GPU計(jì)算服務(wù)器上快速運(yùn)行，就減少了大型計(jì)算機(jī)運(yùn)行的能源消耗。“媽祖”系列模式還在今年臺(tái)風(fēng)汛期承擔(dān)應(yīng)急預(yù)警發(fā)布的工作，為減輕沿海海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)力量。

“媽祖”系列海洋數(shù)值預(yù)報(bào)模式開源儀式

據(jù)了解，經(jīng)國內(nèi)外專家評(píng)審和業(yè)務(wù)化運(yùn)行評(píng)估，目前，“媽祖·海浪”的預(yù)報(bào)效果已與國際主流海浪模式WaveWatch III相當(dāng)。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(shù)值預(yù)報(bào)模式源代碼正式向國際國內(nèi)開源。原野表示，這將極大促進(jìn)我國海洋科學(xué)軟件開源體系建設(shè)，加速拓展模式在海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋資源開發(fā)利用、海洋科學(xué)研究和海洋生態(tài)保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，加快模式開發(fā)與更新進(jìn)度，形成滾動(dòng)研發(fā)機(jī)制。

原野：在國際上，海洋數(shù)值模式代碼也普遍在開源社區(qū)發(fā)展。模式現(xiàn)在剛剛形成雛形，未來可拓展的方向有很多，需要形成社區(qū)開發(fā)能力，讓熱心的科研工作者一起參與進(jìn)來。“媽祖”模式代碼開源后，有助于協(xié)助開發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步拓寬模式應(yīng)用場景、增強(qiáng)模式解決復(fù)雜科學(xué)問題的能力；有助于發(fā)現(xiàn)和修復(fù)模式漏洞，提供模式運(yùn)行的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；有助于海洋預(yù)報(bào)“芯片”團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)海洋科研業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)建立合作，加快模式開發(fā)進(jìn)度，確保模式生命力，形成滾動(dòng)研發(fā)機(jī)制。希望這可以成為我國開源海洋模式的起點(diǎn)，讓中國人自己的海洋預(yù)報(bào)模式走得更遠(yuǎn)；在海洋領(lǐng)域自主創(chuàng)新和高質(zhì)量發(fā)展的今天，我相信這也是建設(shè)海洋強(qiáng)國的必由之路。（王澤華）

來源：自然資源部宣傳教育中心