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高分辨率海洋数值预报是如何开发的?

2020-02-25 10:23:10 来源: 观沧海 作者: 孙安然
摘要:近几十年来,国际业务化海洋环境预报技术快速发展。

  原标题: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”。

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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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