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海洋预报“芯片”工程“妈祖1.0”发布

2021-12-31 10:50:27    来源: 中国自然资源报    作者:安海燕 贺靓

12月29日,经自然资源部正式批准,由国家海洋环境预报中心自主研发的“质量守恒海洋环流数值模式‘妈祖1.0’”(MaCOM1.0)正式发布。该模式是自然资源部海洋预报“芯片”工程成果,填补了我国海洋环流数值预报领域一项重要空白。该模式在气候变化评估、海洋科学研究、海洋环境安全保障等领域有重大应用价值。

海洋数值模式在海洋气候变化、海洋环境保护、海洋经济建设等领域发挥着重要作用,其重要性好比计算机的芯片。“尽管我国的风暴潮、海冰和海啸等海洋灾害数值预报模式已实现完全自主化,但海洋环流的业务预报和科学研究一直以来仍依赖美国、欧盟的数值模式。”中心主任于福江认为,“是否拥有系列化的、滚动发展的自主化海洋数值模型,是衡量一个国家海洋预报水平是否达到国际先进行列的核心指标。”

2018年,国家海洋环境预报中心组织攻关团队开展海洋数值模式研发,开始构建完全自主的“质量守恒海洋数值模型”。自然资源部高度重视该模式的研发,启动了海洋预报“芯片”工程,并将该模式命名为“妈祖”——寓意守护海洋安全,保护海洋环境。2021年6月以来,海洋预报“芯片”工程“妈祖1.0”模式试运行期间,系统运行稳定。2021年11月12日,自然资源部主持召开了海洋预报“芯片”工程成果审查会。海洋大气领域的8名两院院士及行业代表,对“妈祖”模式寄予厚望。认为该模式综合性能达到国际同类模式先进水平。“妈祖”模式实现了三个方面创新:一是采用全新物理框架,二是具有高并行扩展度,三是碳友好。

据悉,海洋数值模式属于复杂系统研究,科研人员通常要对海量的数据进行近似和简化,从而获得需要的部分。

“水的密度变化是非常小的,因此假定水的密度不变,是海洋模式中一种常见的假设。在这个假设情况下研发的海洋数值模式,叫作体积守恒数值模式——现在应用的数值模式大多数都是这种模式。”“妈祖”模式团队技术骨干、中心副研究员张宇介绍,“但是,如果我们把研究尺度和应用尺度放大到长时间的气候变化和全球变化上,那么即使微小的密度变化也会引起不可忽视的作用。比如,气候变化背景下的海平面上升问题,海水一点点的密度变化有可能引起超过1米的海平面上升或者下降。体积守恒数值模式很难体现出这种变化,需要通过后期的诊断来完成。”“妈祖”模式则采用全新的质量守恒物理框架,从而克服了体积守恒海洋模式在精确模拟海平面高度和盐度,以及精确保持海水质量方面的一些固有缺陷。这正是“妈祖”模式的一个重要的物理特色。

“妈祖”模式团队技术骨干、中心副研究员原野介绍,数值模式运行依赖于超级计算机。“妈祖”在设计之初,确定了“研发一个碳友好的模型”方向。现在的“妈祖”模式具备图形处理单元(GPU)加速的能力。这项改进,不仅可以节省80%以上的设备购置经费,还降低了90%以上的计算耗能。

于福江表示,国家海洋环境预报中心作为海洋预报的国家队,走自主化道路、突破关键核心技术是中心的主责主业。中心自主研发的海洋环流模型,在模式物理框架、并行计算等方面做了非常好的顶层设计。专家认为,这是一个面向未来的质量守恒、盐度守恒的海洋环流数值模式,是我国业务化海洋学发展的新选择。

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