中国自主研发的“质量守恒海洋环流数值模式‘妈祖10’”发布处于“领跑”地位

央广网北京12月30日消息（记者周尧）据中央广播电视总台中国之声《新闻纵横》报道，29日，一项以“妈祖”命名的海洋环流数值模式正式发布了。由我国自主研发的“质量守恒海洋环流数值模式‘妈祖1.0’”在气候变化评估、海洋科学研究、海洋环境安全保障等领域有重大应用价值。什么是海洋环流数值模式？它又为什么取名“妈祖”？

2021-2030年是联合国“海洋科学促进可持续发展十年”，在6大战略目标中，4个与海洋观测预报紧密相关。海洋观测预报就要依赖于模式工具，妈祖模式团队负责人、研究员于福江介绍，缺少拥有完全自主可控的“中国芯”，是我国海洋预报面临的重要短板。于福江说：“尽管我国的风暴潮、海冰和海啸等海洋灾害数值预报模式都已实现完全自主化，但海洋环流的业务预报和科学研究一直以来依赖美国、欧盟的数值模式。衡量一个国家的海洋预报水平是否达到国际先进行列，一个核心指标是是否拥有系列化、滚动发展的、自主化海洋数值模型。”

那么，什么是海洋环流数值模式？这个模式究竟能预报什么呢？作为海水运动中最复杂、最核心的组成部分，海洋环流可以直接影响台风、厄尔尼诺和拉尼娜现象。通常来讲，主要模拟海水温度、盐度以及流场、海表面高度演变的数值模式，被称为海洋环流数值模式。妈祖模式团队技术骨干、高级工程师逄仁波介绍，在海洋科学领域，模式的重要性就好比计算机“芯片”。逄仁波表示：“我们可以把这个模式理解为一个计算机软件，通过运行这个软件，我们可以了解到全球各个地方海洋中温度的变化、海水的流动情况以及盐度的变化情况。”

海洋对热量的储存和运输是影响气候变化的最关键因素。要想知道海洋是如何储存和运输热量的，就必须精确掌握海水温度、盐度、流动方向和强度的时空变化信息。海洋环流数值模式正是研究这些要素的最有力工具。妈祖模式团队技术骨干、副研究员张宇介绍：“对国民经济，比如渔业生产，你可以知道什么地方营养比较丰富，可能鱼群会比较多一些，或者对海水养殖都是有很重要的参考价值。还有一个对气候变化研究的贡献，海水的流动会把热量带到哪里去，吸的热量多了还是释放的热量多，就决定了我们将来气候是怎么变化的。”

张宇表示，海洋数值模式的研究对象是海洋，将该模式命名为“妈祖”，也寓意着守护海洋安全，保护海洋环境。

基于妈祖模式建立的预报系统，可通过获取卫星、海上浮标等监测数据，掌握全球海洋的海温、海水盐度、海洋环流等多个海洋要素的重要信息，实时在线和更新全球海洋环境变化。简而言之，数值模型越先进、越精准，将有助于我们更好地判断厄尔尼诺和拉尼娜等气候现象。

张宇介绍，当前，国际上通用的模式采用的都是传统体积守恒海洋模型，这一传统模型存在固有缺陷。而此次发布的“妈祖1.0”则采取了全新质量守恒物理框架，有利于对海洋数值进行更加精准的模拟。张宇表示：“以前体积守恒中讲的还是体积不变，时间越长，体积总是不变的，海平面高度实际上是不会变的，它只有动力高度变化，没有热力高度的变化。质量守恒模式就可以既再现动力高度，也可以再现热力高度，所以这是它物理上的创新，就是质量守恒可以精确地模拟（海水）盐度，可以精确地表达气候变化状态下海平面上升或下降的变化。”

此外，在运行效率上，该模式还大大提升了运算速度，逄仁波介绍：“计算7天预报，它的计算时间可能超过1000个小时。所以我们要把它并行化，让它跑在几百台甚至上千台服务器上，让它跑的速度更快，能够在几十分钟之内算出7天的预报结果。”

同时，“妈祖”模式还具备“碳友好”特性，逄仁波表示，相比采用传统的同类模式，“妈祖1.0”能够降低能耗90%以上。逄仁波说：“因为我们模式其实既支持在能耗较高的CPU上运行，也支持在能耗较低的GPU上运行。我们经过统计测算，在能耗较低的GPU上运行，一年可以节省电费200多万。”

目前，欧美国家气象和海洋预报机构正在发展基于GPU计算的超高分辨率海洋和气象数值模式，但均处于实验阶段，“妈祖”海洋环流数值模式的业务化运行在国际上处于“领跑”地位。

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