《中国日报》近日报道，从自然资源部获悉，由国家海洋环境预报中心自主研发的“妈祖·海浪”预报模式，已获得多次成功应用，保障了重大赛事的顺利举办，有力助推了海浪灾害预警模式的进步。
“妈祖·海浪”：名之所起
在广袤无垠的海洋世界里，海浪的起伏变化常常隐藏着未知的风险与机遇。为了更好洞察海浪的奥秘，保障人类在海洋活动中的安全与利益，科学家们不断探索创新，研发出了先进的海浪预报模式，其中，“妈祖·海浪”预报模式便是一颗璀璨的科技明珠，她像一双明亮的眼睛，带领人类洞察海浪的神秘。
“妈祖·海浪”，这一名字独特而富有深意。妈祖，作为中国沿海地区广受尊崇的海神，有护佑航海平安的寓意，而海浪则代表着海洋中最具动态的变化力量。两者结合不仅体现了人类对海洋的敬畏与尊重，更蕴含着借助科技力量守护海洋资源，保障人类与海洋和谐共处的美好愿景。
海浪蕴含着无尽的能量。图片来源：图虫创意
监测“魔法”：细密网格
为了实现准确预报，先进的海浪数值预报模式多采用高分辨率的计算网格，可以想象成是用更细密的“网”去捕捉海洋中的细微变化。网格越细密，得出的数值对海洋中复杂地形、水流和气象条件的描述就越精确，这种计算网格生成技术被广泛应用于气象或海洋预报模式。
特别要提到的是，在收集和分析海洋观测数据时，所采用的数据收集渠道十分丰富，为的是实现最精准的结果。
例如，在海洋中布置大量的浮标和观测站，可以实时测量风速、风向、气压、海洋温度、海浪高度等关键参数，并将数据传输回数据中心；也可以通过卫星搭载的各种传感器，获取大面积的海洋表面信息，包括海表面温度、海流速度、海浪特征等；过往的商船、科研船等，可以在航行过程中进行观测，记录相关的海洋和气象数据。
同时还有气象部门的大规模数值天气预报数据，沿海地区设置的海洋雷达可以监测近岸的海浪情况，利用声学原理测量海洋中的物理参数。这些数据就像是拼图碎片，为预报模式提供了最初的基础信息。
海岸雷达监测站。图片来源：图虫创意
通常来说，计算网格生成技术的具体应用步骤如下：
1.确定需求
根据预报区域范围和所需精度要求，明确网格的总体布局和分辨率。这需要综合考虑海洋环境的复杂性以及具体的预报应用需求。
渤海湾分布的观察站。图片来源：参考文献[2]
2.划分单元格
利用先进的数值算法和模型构建技术，将预报区域划分为一系列规则或不规则的单元格。在划分过程中，会依据海洋的地形、水流、气象等因素对单元格的大小和形状进行调整。例如，在海洋地形复杂、水流变化剧烈或气象条件特殊的区域，单元格可能会划分得更小，以便更精确地模拟这些区域的变化。
3.考虑关键地理特征
充分重视海洋中的关键地理特征，如海岸线、岛屿、海沟等，对于靠近这些特征的区域，进一步加密网格，使其更加细密。这样可以更准确地描述海洋环境在这些特殊地理位置附近的变化情况。
利用网格确定具体地理特征。图片来源：参考文献[1]
4.采用多层嵌套网格技术
为提高计算效率和精度，可以运用多层嵌套网格技术，即在大范围的低分辨率网格基础上，针对重点关注的局部区域，嵌套更高分辨率的网格。这样可以在保证计算效率的同时，对特定区域进行更精细地模拟和预报。
5.优化网格提升精度
使用优化算法对网格进行优化，减少计算误差并提高模拟的准确性。通过不断调整和改进网格的分布和参数，使其更符合实际海洋的环境特点和物理规律，从而提升海浪预报的精度和可靠性。
利用模型输入数据进行预测。图片来源：参考文献[1]
从科普的角度来看，“妈祖·海浪”预报模式就像一个智能的海洋流预测器。它可以“学习”海洋流动的模式，并“记住”这些模式，以便在未来的某个时间点，在给定当前的海洋状态时，就能够准确预测接下来的海流走向。这就像一个经验丰富的船长，通过观察天空和海面的变化，就能够预测天气和海流发展趋势，从而做出最佳的航行决策。
显著优势：预报精度和时空分辨率
与传统的海浪预报方法相比，“妈祖·海浪”预报模式具有显著优势。传统方法往往依赖于经验公式和简单的统计模型，其预报精度和时空分辨率有限。
而“妈祖·海浪”模式能够做到很多：一是先进的六边形网格及动力框架，能够在重点加密海域和南北极高纬度海域获得高精度预报结果；二是高效的卷积波波非线性作用项算法，使其计算效率提升三分之一；三是优异的大规模并行可扩展性，可开展13万CPU核的超规模并行计算；四是领先的GPU并行加速能力，单台GPU服务器的计算能力相当于90台CPU服务器，计算能耗降低约88%。
多领域应用潜力
“妈祖·海浪”预报模式应用领域十分广泛，它是海洋工程的坚实护盾，准确的海浪预报对于海上平台的设计、建设和运营至关重要。
它可以帮助工程师们评估海浪对平台结构的冲击力量，合理设计防护措施，确保平台的安全稳定；它还是航运业的安全导航，能够提前了解海浪状况，优化航线规划，避免船舶在恶劣海况中航行，从而减少航行风险，提高运输效率；它也是渔业的丰收秘诀，根据海浪情况选择合适的渔场和作业时间，增加渔获量，保障渔业生产安全；它更是滨海旅游的贴心伙伴，旅游景区可以根据预报提前做好安全防范措施，提醒游客注意海浪风险，合理安排水上活动。
同时，准确的海浪预报还能为冲浪、帆板等水上运动爱好者提供最佳的运动时间和地点，提升运动体验。
艰辛的自主研发
然而，“妈祖·海浪”预报模式的研发并非一帆风顺，背后是众多科研人员的辛勤努力，凝聚了大家的智慧结晶。
在研发过程中，研究人员面临着诸多技术难题和挑战。例如，如何提高“妈祖·海浪”模式对复杂海洋环境的适应性，如何处理海量的观测数据和计算结果，如何验证和改进模式的预报精度等。为了解决这些问题，科研团队不断进行技术创新和优化，开展大量的数值实验和实地观测验证，逐步完善和提升了模式性能。
为了确保“妈祖·海浪”预报模式的准确性和可靠性，严格的验证和评估工作必不可少。科研人员将预报结果与实际观测数据进行对比分析，计算误差指标，评估模式在不同海况和季节条件下的表现，通过不断反馈和改进，模式的预报精度得到持续提高。
同时，为了让更多的人能够便捷地获取海浪预报信息，相关部门还建立了完善的信息发布平台和服务体系。通过网站、手机应用、广播电视等多种渠道，及时向公众发布海浪预报产品，让人们提前做好应对准备。
经自然资源部正式批准，由国家海洋环境预报中心（自然资源部海啸预警中心）自主研发的“质量守恒海洋环流数值模式‘妈祖1.0’”（Mass Conservation Ocean Model,简称MaCOM1.0）于2021年12月29日正式发布。图片来源：国家海洋预报台
科技之眼，守护海洋
在2024年第3号超强台风“格美”影响期间，我国自主研发的“妈祖·海浪”模式首次被用于海浪预警，为海浪的及时、准确预警提供了重要支撑。随着科技的不断进步和海洋经济的快速发展，“妈祖·海浪”预报模式也在不断演进和完善。未来，它有望与人工智能、大数据等新兴技术深度融合，进一步提高预报精度和时效性。
同时，随着全球气候变化对海洋环境的影响日益显著，“妈祖·海浪”模式也将在应对极端海况、海洋灾害预警等方面发挥更加重要的作用。相信在未来，这一“科技之眼”将继续照亮我们与海洋同行的道路，助力人类与海洋和谐共生，谱写海洋发展新篇章。
参考文献
[1]XIE Cui，CHEN Ping，MAN Tenghao，DONG Junyu.STCANet:Spatiotemporal Coupled Attention Network for Ocean Surface Current Prediction[J].Journal of Ocean University of China,2023,第22卷(2): 441-451.
[2]Cifu Fu;Jie Xiong;Fujiang Yu.Storm surge forecasting based on physics-informed neural networks in the Bohai Sea[J].Journal of Physics: Conference Series,2024,Vol.2718: 012057.
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出品丨科普中国
作者丨舟舟 大连理工大学
监制丨中国科普博览
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审校丨徐来 林林
