《中國日報》近日報道，從自然資源部獲悉，由國家海洋環境預報中心自主研發的 " 媽祖 · 海浪 " 預報模式，已獲得多次成功應用，保障了重大賽事的順利舉辦，有力助推了海浪災害預警模式的進步。
" 媽祖 · 海浪 "：名之所起
在廣袤無垠的海洋世界裏，海浪的起伏變化常常隐藏着未知的風險與機遇。爲了更好洞察海浪的奧秘，保障人類在海洋活動中的安全與利益，科學家們不斷探索創新，研發出了先進的海浪預報模式，其中，" 媽祖 · 海浪 " 預報模式便是一顆璀璨的科技明珠，她像一雙明亮的眼睛，帶領人類洞察海浪的神秘。
" 媽祖 · 海浪 "，這一名字獨特而富有深意。媽祖，作爲中國沿海地區廣受尊崇的海神，有護佑航海平安的寓意，而海浪則代表着海洋中最具動态的變化力量。兩者結合不僅體現了人類對海洋的敬畏與尊重，更蘊含着借助科技力量守護海洋資源，保障人類與海洋和諧共處的美好願景。
海浪蘊含着無盡的能量。圖片來源：圖蟲創意
監測 " 魔法 "：細密網格
爲了實現準确預報，先進的海浪數值預報模式多采用高分辨率的計算網格，可以想象成是用更細密的 " 網 " 去捕捉海洋中的細微變化。網格越細密，得出的數值對海洋中複雜地形、水流和氣象條件的描述就越精确，這種計算網格生成技術被廣泛應用于氣象或海洋預報模式。
特别要提到的是，在收集和分析海洋觀測數據時，所采用的數據收集渠道十分豐富，爲的是實現最精準的結果。
例如，在海洋中布置大量的浮标和觀測站，可以實時測量風速、風向、氣壓、海洋溫度、海浪高度等關鍵參數，并将數據傳輸回數據中心；也可以通過衛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；過往的商船、科研船等，可以在航行過程中進行觀測，記錄相關的海洋和氣象數據。
同時還有氣象部門的大規模數值天氣預報數據，沿海地區設置的海洋雷達可以監測近岸的海浪情況，利用聲學原理測量海洋中的物理參數。這些數據就像是拼圖碎片，爲預報模式提供了最初的基礎信息。
海岸雷達監測站。圖片來源：圖蟲創意
通常來說，計算網格生成技術的具體應用步驟如下：
1
确定需求
根據預報區域範圍和所需精度要求，明确網格的總體布局和分辨率。這需要綜合考慮海洋環境的複雜性以及具體的預報應用需求。
渤海灣分布的觀察站。圖片來源：參考文獻 [ 2 ]
2
劃分單元格
利用先進的數值算法和模型構建技術，将預報區域劃分爲一系列規則或不規則的單元格。在劃分過程中，會依據海洋的地形、水流、氣象等因素對單元格的大小和形狀進行調整。例如，在海洋地形複雜、水流變化劇烈或氣象條件特殊的區域，單元格可能會劃分得更小，以便更精确地模拟這些區域的變化。
3
考慮關鍵地理特征
充分重視海洋中的關鍵地理特征，如海岸線、島嶼、海溝等，對于靠近這些特征的區域，進一步加密網格，使其更加細密。這樣可以更準确地描述海洋環境在這些特殊地理位置附近的變化情況。
利用網格确定具體地理特征。圖片來源：參考文獻 [ 1 ]
4
采用多層嵌套網格技術
爲提高計算效率和精度，可以運用多層嵌套網格技術，即在大範圍的低分辨率網格基礎上，針對重點關注的局部區域，嵌套更高分辨率的網格。這樣可以在保證計算效率的同時，對特定區域進行更精細地模拟和預報。
5
優化網格提升精度
使用優化算法對網格進行優化，減少計算誤差并提高模拟的準确性。通過不斷調整和改進網格的分布和參數，使其更符合實際海洋的環境特點和物理規律，從而提升海浪預報的精度和可靠性。
利用模型輸入數據進行預測。圖片來源：參考文獻 [ 1 ]
從科普的角度來看，" 媽祖 · 海浪 " 預報模式就像一個智能的海洋流預測器。它可以 " 學習 " 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，在給定當前的海洋狀态時，就能夠準确預測接下來的海流走向。這就像一個經驗豐富的船長，通過觀察天空和海面的變化，就能夠預測天氣和海流發展趨勢，從而做出最佳的航行決策。
顯著優勢：預報精度和時空分辨率
與傳統的海浪預報方法相比，" 媽祖 · 海浪 " 預報模式具有顯著優勢。傳統方法往往依賴于經驗公式和簡單的統計模型，其預報精度和時空分辨率有限。
而 " 媽祖 · 海浪 " 模式能夠做到很多：一是先進的六邊形網格及動力框架，能夠在重點加密海域和南北極高緯度海域獲得高精度預報結果；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；三是優異的大規模并行可擴展性，可開展 13 萬 CPU 核的超規模并行計算；四是領先的 GPU 并行加速能力，單台 GPU 服務器的計算能力相當于 90 台 CPU 服務器，計算能耗降低約 88%。
多領域應用潛力
" 媽祖 · 海浪 " 預報模式應用領域十分廣泛，它是海洋工程的堅實護盾，準确的海浪預報對于海上平台的設計、建設和運營至關重要。
它可以幫助工程師們評估海浪對平台結構的沖擊力量，合理設計防護措施，确保平台的安全穩定；它還是航運業的安全導航，能夠提前了解海浪狀況，優化航線規劃，避免船舶在惡劣海況中航行，從而減少航行風險，提高運輸效率；它也是漁業的豐收秘訣，根據海浪情況選擇合适的漁場和作業時間，增加漁獲量，保障漁業生産安全；它更是濱海旅遊的貼心夥伴，旅遊景區可以根據預報提前做好安全防範措施，提醒遊客注意海浪風險，合理安排水上活動。
同時，準确的海浪預報還能爲沖浪、帆闆等水上運動愛好者提供最佳的運動時間和地點，提升運動體驗。
艱辛的自主研發
然而，" 媽祖 · 海浪 " 預報模式的研發并非一帆風順，背後是衆多科研人員的辛勤努力，凝聚了大家的智慧結晶。
在研發過程中，研究人員面臨着諸多技術難題和挑戰。例如，如何提高 " 媽祖 · 海浪 " 模式對複雜海洋環境的适應性，如何處理海量的觀測數據和計算結果，如何驗證和改進模式的預報精度等。爲了解決這些問題，科研團隊不斷進行技術創新和優化，開展大量的數值實驗和實地觀測驗證，逐步完善和提升了模式性能。
爲了确保 " 媽祖 · 海浪 " 預報模式的準确性和可靠性，嚴格的驗證和評估工作必不可少。科研人員将預報結果與實際觀測數據進行對比分析，計算誤差指标，評估模式在不同海況和季節條件下的表現，通過不斷反饋和改進，模式的預報精度得到持續提高。
同時，爲了讓更多的人能夠便捷地獲取海浪預報信息，相關部門還建立了完善的信息發布平台和服務體系。通過網站、手機應用、廣播電視等多種渠道，及時向公衆發布海浪預報産品，讓人們提前做好應對準備。
經自然資源部正式批準，由國家海洋環境預報中心（自然資源部海嘯預警中心）自主研發的 " 質量守恒海洋環流數值模式‘媽祖 1.0 ’ "（Mass Conservation Ocean Model, 簡稱 MaCOM1.0）于 2021 年 12 月 29 日正式發布。圖片來源：國家海洋預報台
科技之眼，守護海洋
在 2024 年第 3 号超強台風 " 格美 " 影響期間，我國自主研發的 " 媽祖 · 海浪 " 模式首次被用于海浪預警，爲海浪的及時、準确預警提供了重要支撐。随着科技的不斷進步和海洋經濟的快速發展，" 媽祖 · 海浪 " 預報模式也在不斷演進和完善。未來，它有望與人工智能、大數據等新興技術深度融合，進一步提高預報精度和時效性。
同時，随着全球氣候變化對海洋環境的影響日益顯著，" 媽祖 · 海浪 " 模式也将在應對極端海況、海洋災害預警等方面發揮更加重要的作用。相信在未來，這一 " 科技之眼 " 将繼續照亮我們與海洋同行的道路，助力人類與海洋和諧共生，譜寫海洋發展新篇章。
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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出品丨科普中國
作者丨舟舟 大連理工大學
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