助力防灾减灾，高分辨率海洋数值预报是如何开发的？

聚焦前沿技术

近几十年来，国际业务化海洋环境预报技术快速发展。1998年~2008年，国际上持续开展的“全球海洋资料同化试验”有效促进了全球海洋资料同化技术和海洋环境预报业务化水平提升。目前，欧美发达国家已经建立了水平分辨率为10公里级的海洋动力环境数值预报系统，可提供5天~10天的数值预报产品。

2011年~2013年，在“十二五”国家科技支撑计划项目的支持下，预报中心在原有预报系统的技术基础上，全面优化了全球海洋数值预报初始场，并与极地海冰数值预报系统、印度洋海洋环境预报系统、中国周边海域预报系统等共同形成了第一代全球业务化海洋预报系统（CGOFS）。

在全球气候变化的大背景下，各国对预报系统分辨率和预报精度要求也越来越高，全球海洋动力环境预报作为精细化预报的基础地位不断提升，高效、高准确度的海洋预报成为海上作业的重要保障。因此，进一步发展全球高分辨率、高精度的海洋预报系统已成为大势所趋。

攻克技术难题

2013年，预报中心开始研发高分辨率全球海洋动力环境数值预报系统。

团队遇到的首道技术难关就是系统顶层设计，涉及系统的数值模式、分辨率等方面。万莉颖说：“当时，我国在数值模式方面的自主海洋环流模式尚不成熟，还不具备业务化应用能力，只能借鉴发达国家数值模式。”

为此，万莉颖多次带队赴法国麦卡托国际海洋中心、意大利欧洲-地中海气候变化研究中心、挪威海洋研究所、美国地球物理流体动力实验室等科研机构，学习数值模式的业务化应用和后期维护经验。在大量学习调研基础上，团队决定采用NEMO海洋数值模式作为新系统核心模式。团队在选取分辨率上也遇到了挑战，“水平分辨率直接影响系统运行的计算资源。”万莉颖举例说，与汽车车速越高、油耗越大相似，分辨率提升1倍将消耗10倍以上的计算资源。

团队调研发现，各国都在以1/12°或1/16°的分辨率为研发目标。“如果要与国际接轨，我们就要至少选择以1/12°的分辨率为研发目标，但这在当时是团队难以完成的任务，需要克服资源不足、经验匮乏等问题。”万莉颖表示，团队多次就分辨率问题进行研究讨论，制订了多种技术方案。最终，团队咬紧牙关、扛起重担，决定至少以1/12°的分辨率为研发目标，对标国际一流水平。

顶层设计确定后，研发工作紧紧跟上，许多技术难题也接踵而至。研发全球高分辨率海洋环流数值预报系统，涉及网格设计、地形处理、物理方案调试等复杂繁琐的前期准备，需要花费大量人力、物力、财力。

当时，预报中心大型计算机资源有限，只够中等分辨率系统业务化运行，缺乏建设高分辨率系统经验，系统研发一度停滞。“在高分模式下运行，至少需要1.5TB内存支撑，这相当于200台普通笔记本电脑内存的总和，即便当时预报中心性能最高的服务器也达不到要求，难以完成实验。”万莉颖说。

为解决计算资源不足的难题，团队与多家企业沟通交流，并达成了合作意向，租用了天津超算、广州超算等计算资源，扩大了原有的计算资源，节约了人力、财力成本。

同时，团队加快国际交流合作，派遣技术骨干张宇、莫慧尔、祖子清、秦英豪等赴意大利、美国学习交流。随着合作不断深入，法国麦卡托国际海洋中心在数据和模型设置上提供了许多有效建议，让团队“少走了许多弯路”。

科研团队利用新系统制作预报产品。

为确保系统稳定性，团队也投入了大量精力，进行了3次系统构架大改进。万莉颖表示，第一次改进旨在解决资料收集不及时的问题，团队创新性地将传统线性预报系统架构改进为树型预报系统架构。

第二次改进是在系统里植入了自修复模块，可通过检测数据完整性、作业调度信息等判定系统运行阶段的状态，并能够对错误阶段进行重启修复，解决了计算集群故障带来的系统运行不稳定等隐患。

第三次改进是解决了系统庞大的后处理任务。经多次研究，团队最终采用任务并行方式，将多样化的后处理任务并行化，结合自修复模块，确保后处理并行化与预报系统的准实时正常进行。

2016年9月，该系统进入试运行阶段，运行状态稳定。2020年1月1日，经自然资源部海洋预警监测司批复，新一代高分辨率全球海洋数值预报系统正式业务化运行。

助力防灾减灾

“该系统是以数据收集系统为根基、集合同化系统为主干、预报系统为分支、产品制作系统为终端的综合集成数值预报系统。”万莉颖表示，该系统产品与多类观测资料对比，特别是参与全球业务化海洋组织的国际比较计划，海表温度和海面动力高度两项重要指标排名第一，整体水平处于国际先进水平。

据悉，该系统较预报中心原有全球预报系统具有明显优势，分辨率提升了3倍、计算网格数提升了18倍、计算量增加了约100倍，海表温度、海面动力高度、温盐剖面等产品精度提升了30%以上。在实际应用中，该系统分辨率在赤道地区约为8公里、南北极地区约为3公里，可数值分辨中尺度涡、海洋锋面等中尺度海洋现象。

同时，该系统还可提供全三维逐时海洋温度、盐度、海表面动力高度、海水运动速度、海冰厚度、海冰密集度、海冰运动速度等10余种海洋动力环境7天的数值预报产品。

“该系统采用多平台、分级、冗余等方式，确保大规模并行计算和海量数据处理任务的顺利完成。”据万莉颖介绍，该系统包含具备高速国际带宽的数据收集专用平台、具备120万亿次8000CPU核心的高性能计算平台、200TB的数据存储平台以及专用的管理平台，同化系统、数值模式、产品制作逐级完成，保障了预报产品的及时可用。

此外，该系统采用了树型系统运维架构，真正实现了同化-预报-产品制作三大系统的分离并行运行，有效提高了系统运行效率和运行稳定性。

目前，该系统已提供了多类定制化产品：

• 第一类是为西北太平洋、中国近海、印度洋等区域业务化运行系统提供边界预报；

• 第二类是为21世纪海上丝绸之路建设提供海温、盐度及海流预报产品等服务保障；

• 第三类是为海上突发事故如溢油、搜救、海洋污染物扩散等提供海流信息；第四类是为大洋渔场提供预报服务产品。

• 在试运行期间，该系统还为东海海域“桑吉”轮溢油应急保障和南海沉船搜救提供了数据支持，持续为我国33个渔区提供海温、盐度和海流预报产品。

如今，预报中心已明确了全球海洋动力环境数值预报发展的中长期规划，将研发具有自有知识产权的数值模式，在分辨率、自主化程度、预报准确度、计算效率等方面力争取得全面提升。同时，将加强科研合作，提升卫星观测资料利用率。

下一步，团队将进一步开发系统衍生产品，积极发挥预报效果稳定、预报精度较高等系统技术优势，拓展保障服务范围，提升我国极地科考、海上搜救、大洋航行、远洋渔业、海洋工程等领域海洋环境预报保障能力。

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来源：i自然全媒体

记者：孙安然