海洋环流模式NEMO的代码现代化

海洋数值模式是精准海洋环境预报的核心手段。随着计算分辨率的不断提高,海洋数值模式对计算性能的要求也越来越高。为了提高模式计算性能,充分发挥现代计算机的特点,选取海洋环流模式NEMO开展了代码现代化优化方案在海洋环流模式中的应用研究。首先使用Intel性能分析工具对模式的计算性能进行了分析;随后,针对热点函数,开展了编译选项优化、标量串行代码优化、SIMD优化、内存带宽优化以及多进程扩展。结果显示:经过以上优化步骤,在不增加任何硬件成本的前提下,模式整体性能可提升31%,且在多进程下表现出了较好的负载均衡性。这表明,本研究采用的优化策略是一种切实可行的方法。在此基础上,进一步对代码现代化过程中出现的显著影响计算效率的问题,如大量指针的使用阻止矢量化、循环嵌套过多、内存带宽占用过高等,开展了分析和讨论,为未来模式的设计和改进提供了参考和建议。     

海量数据驱动下的高分辨率海洋数值模式发展与展望

海洋数值模式是定量描述海洋物理现象及其变化的数值模型,也是海洋与气候研究、预测的核心工具。随着海洋观测的不断投入与积累、对海洋认识的不断深入,特别是在高性能计算技术的支撑下,海洋数值模式已有了长足进步,正朝着高分辨率和多物理过程的方向发展。随着分辨率的提高、物理过程的细化,海洋数值模式的发展面临着多个方面的挑战。当前,海洋数据数量和种类不断增多,同时超级计算机、高性能计算和深度学习等技术的快速发展,为海洋数值模式的突破提供了机遇与挑战。本研究回顾了海洋数值模式的发展现状,梳理和分析了其发展中遇到的大规模高效并行计算和参数优化这两个关键问题,探讨和展望了当前海量数据驱动下海洋数值模式的发展趋势。提出计算负载均衡、计算与I/O重叠的并行流水线设计以及降低全局交换的算法改进是当前突破高分辨率海洋模式大规模高效并行效率的关键。从海洋科学、高性能计算以及深度学习深度交叉融合的角度,提出了实现海洋科学与深度学习相结合的6个途径,在此基础上,探讨了基于深度学习的参数化优化可能实现的途径。     

海洋数值模式结果可视化集成处理系统研制

随着海洋预警技术及计算能力的快速发展,海洋数值模式预报体系日趋完善。如何快速获取丰富、直观的海洋数值模式可视化产品是当前的研究热点。本文分析、提炼多源海洋数值模式结果(以Net CDF文件格式存储)的控制参数,利用虚拟化平行计算技术,采用核心服务器+数据处理服务器架构,实现海洋数值模式结果可视化集成处理系统研制。该系统能兼容多类模式结果处理,不仅提高了海洋数值模式结果可视化处理速率,也大大提升了服务器硬件资源的使用率。     

海洋模式中潮致混合调和分析参数化方案的建立

潮致混合对海洋环流的调整起着重要作用。陆架环流的数值模拟中如果不考虑潮汐作用，往往不能得到与观测相符的垂向温盐结构。本文基于调和分析方法，建立了一套潮致混合参数化方案。该方案通过对垂向混合系数进行调和分析，从而得到随时间变化的潮致混合系数。将该方案用于黄海冷水团数值模拟的结果显示，其能够得到与在数值模式开边界直接加入潮汐强迫相当的冷水团温盐结构。和直接引入潮汐强迫相比，这一潮致混合参数化方案的优势在于，它能够大大节省数值模拟计算机时，因此有望显著提高大规模高分辨率的海洋环流及气候模式的模拟能力和计算效率。     

考虑飞沫影响的拖曳系数方案对台风条件下上层海洋海温数值模拟的影响

为了提高对上层海洋的模式模拟准确性,为台风海气耦合模式提供更加合理的动量交换耦合方案,文章应用一个分粒径段的海洋飞沫函数给出一个新的海面拖曳系数CD计算方案,它体现了台风高海况条件下海洋飞沫层使海面拖曳系数数值减小特点。论文以2014年第15号台风"海鸥"经过南海强化观测区域时段作为个例,应用POM(Princeton Ocean Model)三维海洋环流模式进行数值模拟试验,结果发现低风速情况下,考虑海洋飞沫因素后的CD与传统计算方案数值相近,在高风速情况下,考虑海洋飞沫因素后的CD方案与模式传统计算方案不同,表现出随风速增长趋缓,直至随风速略有下降现象。与传统拖曳系数方案相比,采用新的拖曳系数方案后,模拟的台风条件下上层海洋的温度降温幅度、混合层深度加深幅度、温跃层强度减弱程度都略有减弱,这些模拟特征与观测事实更加接近。     

一个中国边缘海的风-浪-流预报系统

海洋预报是进行海上活动的安全保障,海洋预报系统技术已经成为现代海洋气象业务的技术支撑。海洋观测、数据同化、数值模拟和高性能计算机等技术的进步极大地推动着海洋业务化预报的发展。采用大气数值模式（WRF）、海洋数值模式（CROCO）和海浪数值模式（SWAN）的多模式高分辨率离线耦合方式,添加南京信息工程大学“海洋数值模拟与观测实验室”团队自主研发的一系列海洋模式参数化方案,包括浪致混合参数化方案、亚中尺度参数化方案、海山诱导混合参数化方案以及涡旋诱导的沿等密度面和跨等密度面混合参数化方案,并通过同化技术和最新的人工智能技术与观测资料相结合,构建一种面向中国边缘海的风浪流多参数耦合预报系统,用于海上风电功率的预报和其他海洋灾害预警。实际观测资料的验证表明,该预报系统能较准确地模拟海上风场、海流、海温、波浪、潮汐等海洋气象要素。同时实现了按需实时可视化全景展示。     

基于Python的并行编程技术在海洋数值预报批量二维绘图中的应用

针对海洋数值预报产品批量二维绘图占用时间较长的瓶颈问题,在对当前流行的数值模式产品绘图软件进行对比研究的基础上,利用Python语言多种库函数对海洋数值预报产品批量二维绘图进行高效并行优化处理,并对多进程编程方法在不同规模下的并行效率进行了测试分析。实验结果表明:此批量二维绘图方案高效稳定,可为数值模式产品批量二维绘图业务化运行提供有效技术支撑。     

浅水潮波模式变分同化共轭码技术研究

以浅水潮波模式为例，详细讨论了共轭码技术的使用方法以及代码检验，并建立了海洋浅水模式的共轭模式。利用浅水潮波模式及其共轭模式进行了流速和水位的初始场优化试验。试验结果表明，初始场优化对于潮波系统数值模拟具有重要的作用，同时也说明利用共轭码技术可以有效地设计共轭模式，进行各种同化试验研究，显示了共轭码技术的诸多优点。     

计算机在海洋技术中的应用

众所周知,计算机和计算机技术作为现代科学的手段和方法,已渗透到现代科学的各个领域和部门。毫无例外,计算机与计算机技术与海洋技术相结合,必然能促进海洋技术的发展。它为海洋技术提供了一个现代化的研究工具,使海洋技术的研究手段和方法实现现代化。关于计算机的一般应用大家都很熟悉,这里仅就我认为与海洋技术有关的几个问题,提出来与大家共同讨论。     

解析四维集合变分参数优化方法研究

传统的四维变分数据同化方法在同化观测资料的同时可以对数值模式参数进行优化,然而传统的四维变分方法需要针对不同的数值模式编写特有的伴随模式,因此算法的可移植性差,同时计算时耗费大量资源。本文提出了一种新的基于解析四维集合变分的参数优化方法,该方法以迭代搜索得到的模式参数为基准展开扰动并构建样本集合,由此显式地计算协方差矩阵,并得到代价函数极小值的解析解,从而避免了伴随模式的使用。基于Lorenz-63模型对该方法进行单参数和多参数数值试验和优化效果检验,并在不同的同化时间窗口长度和观测采样间隔情况下,采用传统四维变分方法与之进行对比,结果显示,新方法表现出与传统四维变分相同的优化性能,都能有效收敛到真值,而新方法不需要计算伴随模式,可移植性好。本文还测试了不同的集合成员个数和模式参数真值的情况下新方法的同化效果,结果表明,新方法对集合样本个数及模型参数真值不敏感,采用较少的集合样本即可完成数据同化。     

物探船拖缆姿态及拉力预报

针对海洋地震物探船布设探测网络实际工况的要求,提出一种拟合数值计算与模型实验结果预报拖缆姿态及拉力的方法,应用此方法进行多方案比较研究,获得优化的拖缆－扩展器－检测电缆组合探测系统。经海上拖航实验验证,此种预报方法查可行,预报精度完全能满足工程实用要求。     

基于云存储的海洋数据存储策略研究

研究发现由于海洋数据的传输频率及数据累积量较大,在数据接收及解析入库过程中可能会出现频繁调用及分配计算本机存储空间而导致后续数据接收及处理延迟等问题发生。针对海洋数据传输体系内计算机数量多但计算及存储性能得不到完全发挥的现状,提出利用海洋数据传输体系内的计算机构建云存储体系以达到整合存储资源实现负载均衡的目的。在利用现有设备节约空间和经费的前提下对优化海洋存储技术进行探索,为提高海洋数据传输业务效率提供支撑。     

深水造流系统数值模拟与实测验证

通过求解N-S方程和SST k-ω湍流模型对深水造流系统进行了时域模拟。为了提高数值计算的精度,准确扑捉流场的细节,采用多块结构化网格技术生成流体域网格。分析深水试验区域的流场分布规律,给出水流速度沿横向方向的分布情况,计算流场稳定所需要的时间。为了验证数值计算的准确性,对海洋深水造流系统进行实测试验。计算值与试验值吻合较好,证明该方法的可行性。数值模拟的结果对合理选取试验区域,了解造流系统的相关特性,有效控制水池内水流速度,提高海洋深水试验的精确度具有相当重要的作用。     

大型船舶碰撞引起的海洋导管架平台结构损伤分析

主要对某一海洋导管架平台结构受到大吨位起重铺管船的碰撞进行了详细的非线性数值动力模拟。采用非线性弹簧来模拟受损构件的凹陷特性，计算分析了船舶侧向撞击导管架平台结构在不同的碰撞接触时间下的构件损伤情况，与实际结构损伤的检测结果相比较，反演计算分析了船舶以不同的速度与平台发生碰撞，得到了不同的碰撞接触时间和最大撞击力，以及导管架平台结构主要节点的应力、位移时间历程曲线，可以确定受到撞击后导管架平台结构构件和管节点的损伤程度，对提出合理可行的修理加固方案提供了理论依据。     

UCTD探头阻力系数的数值分析及试验研究

为优化海洋动力参量拖曳式剖面测量系统(Underway Conductivity-Temperature-Depth instrument,UCTD)探头下降速度与稳定性,达到设计测量深度,提高观测数据质量,本文利用外型曲线解析式和探头基本运动方程完成初步设计,通过Fluent软件建立UCTD探头的流体动力学分析模型,计算相应的阻力系数,对其进行结构优化和重量调整,以满足技术指标的要求。2017年春季航次海试数据验证了数值仿真计算与探头结构设计的科学性和合理性,研究结果为UCTD探头水下运动规律研究和探头的设计提供参考。作为走航温盐剖面测量装置,UCTD可以快速、低成本地获取海洋水文剖面资料,广泛应用于海洋环境监测、海洋科学研究以及军事领域。     

伴随同化方法在中国近海海洋数值模拟中的应用

简述了几种常用的资料同化方法,并较为详细地阐述了伴随同化方法的基本原理。基于其在潮汐模式中、在海水温度场中和在海洋生态模型中的应用等三方面综述了伴随方法在中国近海海洋数值模拟中的应用研究现状和进展。并对伴随方法的应用前景进行了初步的评述,指出该方法可对海洋观测方案的优化发挥重要作用,其在生态学流动力学模式中的应用亦应得到充分重视。     

海洋飞沫方案改进对台风“威马逊”强度预报的影响

本文采用分粒径段组合方式改进海气耦合模式海洋飞沫方案,并利用耦合模式对1409号台风"威马逊"进行数值模拟,分析了海洋飞沫方案改进对台风结构、强度以及海气动量通量、热量通量模拟结果的影响。结果显示,耦合模式中海洋飞沫方案可通过改变海表面粗糙度影响海气动量与热量通量;海洋飞沫还可以通过沫滴向大气输送感热和水汽而直接影响海气热通量,进一步影响台风的强度。模拟结果显示改进后海洋飞沫方案的台风强度更接近观测。改进海洋飞沫方案后粗糙度的计算结果小于原始方案,相应地海气热通量以及下垫面耗散作用也弱于后者,海表面风场是海气热交换与下垫面耗散共同作用的结果。     

赤湾港内波浪数学模型

港内波浪数学模型要求计算机容量大,计算时间长、费用高,难于直接用于实际港口规划。因此,针讨具体港口,提出简化模式,减少存储,加快计算速度,节省费用,具有实际工程意义。本文引用单源点法,针对赤湾港具体情况,提出三种简化数学模型,可供港口规划、设计工作采用。     

海道测量水位改正通用模式研究

为满足海道测量作业发展实际需求,进行了海道测量水位改正通用模式研究.在单波束测深逐点逐时分区改正基础上提出了适于单、多波束测深的海量数据虚拟单验潮站改正模式,基于时差法、最小二乘拟合法数学模型以及海洋潮汐数值预报模型,研制了适于沿岸、近海水深测量的水位改正软件.     

多模式卡尔曼滤波对机动目标的跟踪

本文提出了一种用正交基阵对机动目标进行跟踪的新方法,它通过直接对时延估计进行滤波处理,使跟踪精度有了较大的提高.同时采用多模式方法,实现了对机动目标的跟踪.增益计算的指数近似,简化了滤波器的计算,提高了计算速度。