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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(dòng)態(tài)，科普中國前沿科技項(xiàng)目推出“人工智能”系列文章，一窺人工智能前沿進(jìn)展，回應(yīng)種種關(guān)切與好奇。讓我們共同探究，迎接智能時(shí)代。

近日，據(jù)《中國日?qǐng)?bào)》報(bào)道，從自然資源部獲悉，由國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心自主研發(fā)的“媽祖·海浪”預(yù)報(bào)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(fēng)險(xiǎn)與機(jī)遇。為了更好地洞察海浪的奧秘，保障人類在海洋活動(dòng)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(jìn)的海浪預(yù)報(bào)模式，其中“媽祖·海浪”預(yù)報(bào)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(bào)模式，這一名字獨(dú)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(hù)佑與平安；而海浪，則代表著海洋中最具動(dòng)態(tài)和變化的力量。將兩者結(jié)合，不僅體現(xiàn)了對(duì)海洋的敬畏與尊重，更蘊(yùn)含著借助科技力量守護(hù)海洋、保障人類與海洋和諧共處的美好愿景。

海浪蘊(yùn)含無盡力量

細(xì)密網(wǎng)格與多因素考量的魔法

為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，先進(jìn)的海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式多采用高分辨率的計(jì)算網(wǎng)格，可以想象成是用更細(xì)密的網(wǎng)去捕捉海洋中的細(xì)微變化。網(wǎng)格越細(xì)密，得出的數(shù)值對(duì)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(jì)算網(wǎng)格生成技術(shù)被廣泛應(yīng)用于氣象或海洋預(yù)報(bào)模式。

特別要提到的是，在對(duì)海洋的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析時(shí)所采用的收集數(shù)據(jù)的渠道十分豐富，以求實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的結(jié)果。

例如，在海洋中布置大量的浮標(biāo)和觀測站，它們能夠?qū)崟r(shí)測量風(fēng)速、風(fēng)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?cái)?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(jìn)行觀測，記錄相關(guān)的海洋和氣象數(shù)據(jù)。

同時(shí)還有氣象部門的大規(guī)模數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，沿海地區(qū)設(shè)置的海洋雷達(dá)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(diǎn)

（圖片來源：veer圖庫）

通常來說，計(jì)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(bào)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(bào)應(yīng)用需求。

渤海灣分布的觀察站

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

劃分單元格：利用先進(jìn)的數(shù)值算法和模型構(gòu)建技術(shù)，將預(yù)報(bào)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(huì)依據(jù)海洋中的地形、水流、氣象等因素對(duì)單元格的大小和形狀進(jìn)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(huì)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(duì)于靠近這些特征的區(qū)域，進(jìn)一步加密網(wǎng)格，使其更加細(xì)密。這樣可以更準(zhǔn)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(xiàn)1）

采用多層嵌套網(wǎng)格技術(shù)：為提高計(jì)算效率和精度，運(yùn)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(duì)重點(diǎn)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(jì)算效率的同時(shí)，對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行更精細(xì)地模擬和預(yù)報(bào)。

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

利用模型輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

從科普的角度來看，“媽祖·海浪”預(yù)報(bào)模式就像是一個(gè)智能的海洋流預(yù)測器。它可以“學(xué)習(xí)”海洋流動(dòng)的模式，并“記住”這些模式，以便在未來的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)給定當(dāng)前的海洋狀態(tài)時(shí)，能夠準(zhǔn)確預(yù)測海流的走向。這就像是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(bào)方法相比，“媽祖·海浪”預(yù)報(bào)模式具有顯著的優(yōu)勢。傳統(tǒng)方法往往依賴于經(jīng)驗(yàn)公式和簡單的統(tǒng)計(jì)模型，其預(yù)報(bào)精度和時(shí)空分辨率有限。

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

多領(lǐng)域的神奇助力

媽祖·海浪預(yù)報(bào)模式應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。它是海洋工程的堅(jiān)實(shí)護(hù)盾——準(zhǔn)確的海浪預(yù)報(bào)對(duì)于海上平臺(tái)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營至關(guān)重要。

它可以幫助工程師們評(píng)估海浪對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的沖擊力量，合理設(shè)計(jì)防護(hù)措施，確保平臺(tái)的安全穩(wěn)定；是航運(yùn)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(fēng)險(xiǎn)，提高運(yùn)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(shí)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(bào)提前做好安全防范措施，提醒游客注意海浪風(fēng)險(xiǎn)，合理安排水上活動(dòng)。

準(zhǔn)確的海浪預(yù)報(bào)提供更加便利的漁業(yè)條件

同時(shí)，準(zhǔn)確的海浪預(yù)報(bào)還能為沖浪、帆板等水上運(yùn)動(dòng)愛好者提供最佳的運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)和地點(diǎn)，提升他們的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。

研發(fā)背后的艱辛征途

然而，“媽祖·海浪”預(yù)報(bào)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(duì)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(jì)算結(jié)果，如何驗(yàn)證和改進(jìn)模式的預(yù)報(bào)精度等。為了解決這些問題，科研團(tuán)隊(duì)不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，開展大量的數(shù)值實(shí)驗(yàn)和實(shí)地觀測驗(yàn)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(bào)模式的準(zhǔn)確性和可靠性，嚴(yán)格的驗(yàn)證和評(píng)估工作必不可少?？蒲腥藛T會(huì)將預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算誤差指標(biāo)，評(píng)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(jìn)，模式的預(yù)報(bào)精度得以持續(xù)提高。

同時(shí)，為了讓更多的人能夠便捷地獲取海浪預(yù)報(bào)信息，相關(guān)部門還建立了完善的信息發(fā)布平臺(tái)和服務(wù)體系。通過網(wǎng)站、手機(jī)應(yīng)用、廣播電視等多種渠道，及時(shí)向公眾發(fā)布海浪預(yù)報(bào)產(chǎn)品，讓人們能夠提前做好應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備。

經(jīng)自然資源部正式批準(zhǔn)，由國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)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(bào)臺(tái) ）

科技之眼，海洋之福

在2024年第3號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“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(shí)、準(zhǔn)確預(yù)警提供了重要支撐。隨著科技的不斷進(jìn)步和海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，“媽祖·海浪”預(yù)報(bào)模式也在不斷演進(jìn)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(jìn)一步提高預(yù)報(bào)精度和時(shí)效性。

同時(shí)，隨著全球氣候變化對(duì)海洋環(huán)境的影響日益顯著，模式也將在應(yīng)對(duì)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(lán)色發(fā)展的新篇章。

參考文獻(xiàn)：

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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