我國自主研發(fā)“媽祖·海浪”預(yù)報模式!科技之眼,守護藍色家園
來源:科普中國
發(fā)布時間:2024-09-05
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出品:科普中國

作者:舟舟(大連理工大學(xué))

監(jiān)制:中國科普博覽

編者按:為展現(xiàn)智能科技動態(tài),科普中國前沿科技項目推出“人工智能”系列文章,一窺人工智能前沿進展,回應(yīng)種種關(guān)切與好奇。讓我們共同探究,迎接智能時代。

近日,據(jù)《中國日報》報道,從自然資源部獲悉,由國家海洋環(huán)境預(yù)報中心自主研發(fā)的“媽祖·海浪”預(yù)報模式,已獲得多次成功應(yīng)用,保障了重大賽事的順利舉辦,有力助推了海浪災(zāi)害預(yù)警。

名之所起

在廣袤無垠的海洋世界里,海浪的起伏變化常常隱藏著未知的風險與機遇。為了更好地洞察海浪的奧秘,保障人類在海洋活動中的安全與利益,科學(xué)家們不斷探索創(chuàng)新,研發(fā)出了先進的海浪預(yù)報模式,其中“媽祖·海浪”預(yù)報模式便是一顆璀璨的科技明珠。她像一雙明亮的眼睛,帶領(lǐng)人類洞察海浪的神秘。

“媽祖·海浪”預(yù)報模式,這一名字獨特而富有深意。媽祖,作為中國沿海地區(qū)廣受尊崇的海神,象征著護佑與平安;而海浪,則代表著海洋中最具動態(tài)和變化的力量。將兩者結(jié)合,不僅體現(xiàn)了對海洋的敬畏與尊重,更蘊含著借助科技力量守護海洋、保障人類與海洋和諧共處的美好愿景。

海浪蘊含無盡力量

細密網(wǎng)格與多因素考量的魔法

為了實現(xiàn)準確的預(yù)報,先進的海浪數(shù)值預(yù)報模式多采用高分辨率的計算網(wǎng)格,可以想象成是用更細密的網(wǎng)去捕捉海洋中的細微變化。網(wǎng)格越細密,得出的數(shù)值對海洋中復(fù)雜地形、水流和氣象條件的描述就越精確,這種計算網(wǎng)格生成技術(shù)被廣泛應(yīng)用于氣象或海洋預(yù)報模式。

特別要提到的是,在對海洋的觀測數(shù)據(jù)進行收集和分析時所采用的收集數(shù)據(jù)的渠道十分豐富,以求實現(xiàn)精準的結(jié)果。

例如,在海洋中布置大量的浮標和觀測站,它們能夠?qū)崟r測量風速、風向、氣壓、海洋溫度、海浪高度等關(guān)鍵參數(shù),并將數(shù)據(jù)傳輸回數(shù)據(jù)中心;也可以通過衛(wèi)星搭載的各種傳感器,獲取大面積的海洋表面信息,包括海表面溫度、海流速度、海浪特征等;還有過往的商船、科研船等在航行過程中進行觀測,記錄相關(guān)的海洋和氣象數(shù)據(jù)。

同時還有氣象部門的大規(guī)模數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù),沿海地區(qū)設(shè)置的海洋雷達可以監(jiān)測近岸的海浪情況,利用聲學(xué)原理測量海洋中的物理參數(shù)……這些數(shù)據(jù)就像是拼圖的碎片,為模式提供了最初的基礎(chǔ)信息。

海邊的觀察點

(圖片來源:veer圖庫)

通常來說,計算網(wǎng)格生成技術(shù)的具體應(yīng)用步驟如下:

確定需求:根據(jù)預(yù)報區(qū)域的范圍和所需的精度要求,明確網(wǎng)格的總體布局和分辨率。這需要綜合考慮海洋環(huán)境的復(fù)雜性以及具體的預(yù)報應(yīng)用需求。

渤海灣分布的觀察站

(圖片來源:參考文獻2)

劃分單元格:利用先進的數(shù)值算法和模型構(gòu)建技術(shù),將預(yù)報區(qū)域劃分為一系列規(guī)則或不規(guī)則的單元格。在劃分過程中,會依據(jù)海洋中的地形、水流、氣象等因素對單元格的大小和形狀進行調(diào)整。例如,在海洋地形復(fù)雜、水流變化劇烈或氣象條件特殊的區(qū)域,單元格可能會劃分得更小,以更精確地模擬這些區(qū)域的變化。

考慮關(guān)鍵地理特征:充分重視海洋中的關(guān)鍵地理特征,如海岸線、島嶼、海溝等。對于靠近這些特征的區(qū)域,進一步加密網(wǎng)格,使其更加細密。這樣可以更準確地描述海洋環(huán)境在這些特殊地理位置附近的變化情況。

利用網(wǎng)格確定具體地理特征

(圖片來源:參考文獻1)

采用多層嵌套網(wǎng)格技術(shù):為提高計算效率和精度,運用多層嵌套網(wǎng)格技術(shù)。即在大范圍的低分辨率網(wǎng)格基礎(chǔ)上,針對重點關(guān)注的局部區(qū)域,嵌套入更高分辨率的網(wǎng)格。這樣可以在保證計算效率的同時,對特定區(qū)域進行更精細地模擬和預(yù)報。

優(yōu)化網(wǎng)格:使用優(yōu)化算法對網(wǎng)格進行優(yōu)化,以減少計算誤差并提高模擬的準確性。通過不斷調(diào)整和改進網(wǎng)格的分布和參數(shù),使其更符合實際海洋環(huán)境的特點和物理規(guī)律,從而提升海浪預(yù)報的精度和可靠性。

利用模型輸入數(shù)據(jù)進行預(yù)測

(圖片來源:參考文獻1)

從科普的角度來看,“媽祖·海浪”預(yù)報模式就像是一個智能的海洋流預(yù)測器。它可以“學(xué)習”海洋流動的模式,并“記住”這些模式,以便在未來的某個時間點,當給定當前的海洋狀態(tài)時,能夠準確預(yù)測海流的走向。這就像是一個經(jīng)驗豐富的船長,通過觀察天空和海面的變化,能夠預(yù)測天氣和海流,從而做出最佳的航行決策。

超越傳統(tǒng)的卓越表現(xiàn)

與傳統(tǒng)的海浪預(yù)報方法相比,“媽祖·海浪”預(yù)報模式具有顯著的優(yōu)勢。傳統(tǒng)方法往往依賴于經(jīng)驗公式和簡單的統(tǒng)計模型,其預(yù)報精度和時空分辨率有限。

而“媽祖·海浪”模式能夠做到的很多:一是先進的六邊形網(wǎng)格及動力框架,能夠在重點加密海域和南北極高緯度海域獲得高精度預(yù)報結(jié)果;二是高效的卷積波波非線性作用項算法,使其計算效率提升三分之一;三是優(yōu)異的大規(guī)模并行可擴展性,可開展13萬CPU核的超規(guī)模并行計算;四是領(lǐng)先的GPU并行加速能力,單臺GPU服務(wù)器的計算能力相當于90臺CPU服務(wù)器,計算能耗降低約88%。

多領(lǐng)域的神奇助力

媽祖·海浪預(yù)報模式應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。它是海洋工程的堅實護盾——準確的海浪預(yù)報對于海上平臺的設(shè)計、建設(shè)和運營至關(guān)重要。

它可以幫助工程師們評估海浪對平臺結(jié)構(gòu)的沖擊力量,合理設(shè)計防護措施,確保平臺的安全穩(wěn)定;是航運業(yè)的安全導(dǎo)航——提前了解海浪狀況可以優(yōu)化航線規(guī)劃,避免船舶在惡劣海況中航行,減少航行風險,提高運輸效率;是漁業(yè)的豐收秘訣——根據(jù)海浪情況選擇合適的漁場和作業(yè)時間,增加漁獲量,保障漁業(yè)生產(chǎn)的安全;更是濱海旅游的貼心伙伴——旅游景區(qū)可以根據(jù)預(yù)報提前做好安全防范措施,提醒游客注意海浪風險,合理安排水上活動。

準確的海浪預(yù)報提供更加便利的漁業(yè)條件

同時,準確的海浪預(yù)報還能為沖浪、帆板等水上運動愛好者提供最佳的運動時機和地點,提升他們的運動體驗。

研發(fā)背后的艱辛征途

然而,“媽祖·海浪”預(yù)報模式的研發(fā)并非一蹴而就,背后凝聚著眾多科研人員的辛勤努力和智慧結(jié)晶。

在研發(fā)過程中,研究人員們面臨著諸多技術(shù)難題和挑戰(zhàn)。例如,如何提高模式對復(fù)雜海洋環(huán)境的適應(yīng)性,如何處理海量的觀測數(shù)據(jù)和計算結(jié)果,如何驗證和改進模式的預(yù)報精度等。為了解決這些問題,科研團隊不斷進行技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化,開展大量的數(shù)值實驗和實地觀測驗證,逐步完善和提升了模式的性能。

為了確?!皨屪妗ず@恕鳖A(yù)報模式的準確性和可靠性,嚴格的驗證和評估工作必不可少??蒲腥藛T會將預(yù)報結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)進行對比分析,計算誤差指標,評估模式在不同海況和季節(jié)條件下的表現(xiàn),通過不斷地反饋和改進,模式的預(yù)報精度得以持續(xù)提高。

同時,為了讓更多的人能夠便捷地獲取海浪預(yù)報信息,相關(guān)部門還建立了完善的信息發(fā)布平臺和服務(wù)體系。通過網(wǎng)站、手機應(yīng)用、廣播電視等多種渠道,及時向公眾發(fā)布海浪預(yù)報產(chǎn)品,讓人們能夠提前做好應(yīng)對準備。

經(jīng)自然資源部正式批準,由國家海洋環(huán)境預(yù)報中心(自然資源部海嘯預(yù)警中心)自主研發(fā)的“質(zhì)量守恒海洋環(huán)流數(shù)值模式‘媽祖1.0’”(英文名稱:Mass Conservation Ocean Model,簡稱MaCOM1.0)于2021年12月29日正式發(fā)布

(圖片來源:國家海洋預(yù)報臺 )

科技之眼,海洋之福

在2024年第3號超強臺風“格美”影響期間,我國自主研發(fā)的“媽祖·海浪”模式首次被用于海浪預(yù)警,為海浪的及時、準確預(yù)警提供了重要支撐。隨著科技的不斷進步和海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展,“媽祖·海浪”預(yù)報模式也在不斷演進和完善。未來,它有望與人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)深度融合,進一步提高預(yù)報精度和時效性。

同時,隨著全球氣候變化對海洋環(huán)境的影響日益顯著,模式也將在應(yīng)對極端海況、海洋災(zāi)害預(yù)警等方面發(fā)揮更加重要的作用。相信在未來,這一科技之眼將繼續(xù)照亮我們與海洋同行的道路,助力人類與海洋的和諧共生,共同譜寫藍色發(fā)展的新篇章。

參考文獻:

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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