海洋运动是地球尺度的现象
地球表面71%是海洋，而陆地面积仅占29%；和广袤无垠的海洋相比，人类显得无比渺小。那么，大多数时间生活在陆地上的我们，想要关心海洋、认识海洋、经略海洋，首先就要去理解海洋的运动是如何进行的。国家海洋环境预报中心重点实验室副主任原野表示，类似于我们观察到的大气运动，比如不同地区、不同高度的大气进行热量、动量、水分的互相交换等，海洋也是流体，它的运动也是一个复杂的过程，受到多种因素影响。
原野：作为大气层的下垫面，海洋受风力影响，可以产生风生海流、上升流以及海浪、风暴潮等现象。此外，受地球自转、太阳辐射和月球、太阳引力等作用，大海的流动还呈现出更加复杂的现象。比如，受月球引力影响，我国近海的天文潮及其引发的潮流非常强烈，甚至一些地方发生了海水倒灌，对人类的直接影响很大。受地球自转和海面信风和季风的影响，每个大洋还形成了独特的环流系统，显著调节着全球和区域的气候。有暖流经过的海岸，气候就比同纬度更加温暖；寒流暖流的交汇处，会带来丰沛的营养物质，渔业资源丰富等。
海流和海浪，是海洋最重要的运动方式
如原野所说，海流和海浪，是海洋最重要的运动方式。海流是指大范围的海水流动，通常由风力和地球自转引起；而海浪则是由风力直接作用在海面上形成的波浪。那么，如何对海洋的运动进行全方位感知呢？那就不得不从中世纪欧洲的航海者们说起。原野介绍，数百年来，人类认知海洋，经历了从实际航行、肉眼观测，到借助浮标、卫星等手段实现远距离观测，再到通过智能化手段汇聚分析观测数据，进而形成全球海洋数值预报能力的过程。
原野：历史上，海洋观测经历了多次技术革命。中世纪欧洲的航海者们通过实际航行经验逐渐了解海洋的流动规律，例如季风和洋流。19世纪末，人类开始广泛采用海洋浮标、潜标和漂流浮标等海洋观测手段，直到今天还在使用。到20世纪后半叶，卫星观测手段兴起，观测的要素包括水色、海面风、浪高、海温、盐度和海冰等。到了今天，我们广泛提倡“空天海地”立体智能观测网，无人滑翔机、水面波浪滑翔器等一些智能化的海洋观测设备逐步成为主流，可以根据需要在人类无法到达的海域进行自主探测。这些数据汇流到一起，通过数值模式的计算，就可以形成全球和区域的海洋数值预报能力。
海洋数值模式是海洋预报业务和海洋科学研究的核心工具
从20世纪60年代开始，美国国家海洋和大气层管理局就开始探索海洋数值预报模式，到90年代，形成了全球海洋数值预报能力。原野解释，海洋数值预报，就是将不同渠道汇总而来的数据进行同化和融合后，在一定的数值模式下，通过数以千计的高性能计算机进行大规模并行计算，进而描述乃至预报海洋的运动状态。然而，经过四五十年的发展，美国、欧洲的海洋数值模式一直处于国际领先地位，我国第一台海洋数值预报所使用的高性能计算机、第一个业务化运行的海洋数值预报模式都来源于国外，这使得我国在该领域尽快形成自主发展能力，至关重要。
原野：不能总走引进－吸收－应用的老路，我们国家需要有自己的海洋数值模式。作为海洋预报的国家队，从2020年开始，我们历经数年集中攻关，先后完成“妈祖”系列自主海流和海浪数值模式阶段性开发工作。这一过程是非常艰难的，也有很多创新性，比如说它是国际上首个具备GPU加速特点的业务化模型，通过计算显卡的高并行扩展度和大数据吞吐量的特性，极大加速地球数值模拟速度；这中间经历不计其数的推倒重来、代码重构，熬过一个又一个不眠之夜。此外，在海水质量守恒、图拓扑并行通信等方面的独创性特点，也都是由我们团队每一个成员的泪水和汗水堆积出来的。
“妈祖”系列模式参与保障2024年汛期台风浪应急工作
自然资源部介绍，“妈祖”系列海流和海浪数值预报模式分别可以用于模拟和预测海流和海浪的发展和变化，对于航海、渔业、海洋环境保护等方面非常重要。2021年、2023年，“妈祖·海流”和“妈祖·海浪”海洋数值预报模式分别投入业务化运行，其创新成果均入选当年的“中国海洋十大科技进展”。运行以来，它们解决了哪些实际问题呢？原野透露，在第19届杭州亚运会帆船比赛期间，该模式减少大型机运行电费数十万元；在今年汛期“摩羯”“格美”等台风引发的海洋灾害应急工作中，该模式也发挥了重要作用。
原野：帆船比赛中，海浪和海流等海洋环境条件对比赛的安全性和竞技性具有重要影响。我们在亚帆赛保障期间，每天输出未来5天的海浪、海流、海温数值预报产品；通过GPU加速的特点，使预报计算任务可以在一台小型GPU计算服务器上快速运行，就减少了大型计算机运行的能源消耗。“妈祖”系列模式还在今年台风汛期承担应急预警发布的工作，为减轻沿海海洋灾害风险贡献力量。
“妈祖”系列海洋数值预报模式开源仪式
据了解，经国内外专家评审和业务化运行评估，目前，“妈祖·海浪”的预报效果已与国际主流海浪模式WaveWatch III相当。在近日举办的第九届世界妈祖文化论坛期间，“妈祖”系列海流和海浪数值预报模式源代码正式向国际国内开源。原野表示，这将极大促进我国海洋科学软件开源体系建设，加速拓展模式在海洋防灾减灾、海洋资源开发利用、海洋科学研究和海洋生态保护等领域的应用，加快模式开发与更新进度，形成滚动研发机制。
原野：在国际上，海洋数值模式代码也普遍在开源社区发展。模式现在刚刚形成雏形，未来可拓展的方向有很多，需要形成社区开发能力，让热心的科研工作者一起参与进来。“妈祖”模式代码开源后，有助于协助开发团队进一步拓宽模式应用场景、增强模式解决复杂科学问题的能力；有助于发现和修复模式漏洞，提供模式运行的稳定性和准确性；有助于海洋预报“芯片”团队与国内海洋科研业务机构建立合作，加快模式开发进度，确保模式生命力，形成滚动研发机制。希望这可以成为我国开源海洋模式的起点，让中国人自己的海洋预报模式走得更远；在海洋领域自主创新和高质量发展的今天，我相信这也是建设海洋强国的必由之路。（王泽华）
图片：自然资源部国家海洋环境预报中心
