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。     

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。     

MASNUM 海浪模式的代码现代化优化

海洋数值模式当前已经成为海洋研究和预测的核心工具,其高分辨率。多物理过程的发展趋势对数值模式计算速度也提出了越来越高的要求。为了使得海洋数值模式更好的适应计算机基础架构,充分发挥现代化计算机体系的计算特点,提高计算效率,本文提出了一种简单易行且有效的代码现代化优化方案,并以MASNUM海浪模式为例进行了测试。首先利用诊断工具Intel Vtune Amplifier XE和Intel Trace Analyzer Collector,对模式的性能和负载均衡性进行了分析;之后,针对热点函数,在单节点上制定了4个优化步骤,包括编译器选项优化,串行和标量优化,向量化和OpenMP并行优化。结果表明,经过优化后,单节点内模式的计算速度可以提高1.95倍,多节点的模式强扩展性呈线性。这表明本文提出的代码现代化方案是一种行之有效的优化方法。     

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。     

基于遥感的海洋三维温盐场智能探测研究进展

海洋三维温盐场信息是描述海洋物理属性特征和掌握海洋物理运动过程的重要参数,获取准确的海洋三维温度和盐度信息对于认识海洋、开发利用海洋和海洋科学研究等具有重要意义。随着人工智能与深度学习方法的发展,采用深度学习方法的海洋次表层三维温盐场智能探测研究成为热点之一。从海洋温盐观测数据集、传统机器学习方法三维温盐智能探测、一般神经网络三维温盐智能探测和深度学习三维温盐智能探测等方面展开,对与海洋三维温盐场智能探测相关的研究进展进行综述,最后针对三维温盐场智能探测存在的问题和未来的发展趋势进行了总结和展望。     

基于不规则矩形划分的高效海洋环流数值模式并行算法

使用序列化和不规则矩形划分的方法,开发了基于消息传递接口(MPI)的环流数值模式并行算法,并通过邻近点交换策略(NPES)进一步提升了计算效率。在HP C7000刀片系统上设计了两个实验,数值结果表明,使用了NPES的并行版本(PVN)的计算效率要高于原并行版本(PV)。在第二个实验中当进程数为100时PVN的计算效率仍可达到0.9以上,然而此时PV的计算效率已迅速下降至0.39。并用环流模式的PVN版本对一个高分辨率的区域进行了模拟,效果较好。该算法具备普适性,可用于其它环流模式的高效并行。     

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。     

海冰的热力过程及其与动力过程的耦合模拟

研究和讨论了海气相互作用过程中海冰演变的物理过程；大气和海洋对海冰的热力作用以及冰内物理过程；大气和海洋热力学参数对冰厚和密集度等冰情参数的影响和上述物理过程的数学处理。计算了冰面与水面能量收支，并分析海冰热力增长函数的特征；将热力模式与动力模式。对渤海１９８９－１９９０年度海冰进行数值模拟。结果表明，考虑热力过程的热动力模式，对类似于１９９０年２月１２－１８日海冰融化过程显示出明显的优越性，模拟     

海洋-声学-探测模型的并行预报技术研究

针对声纳探测性能预报的需求,建立了海洋-声学-探测模型,实现了并行计算。该模型将海洋数值预报模式、声学模式与海洋观测资源进行整合,辅以战术需求,实现了对水声环境和声纳探测性能的动态预报和估计。同时,结合高性能计算机系统,设计并实现了模型的并行算法,结果表明,该程序具有较高的并行性能,较好地满足了声纳探测性能预报对实效性的要求,为形成业务化海洋水声环境预报能力打下了良好的基础。     

基于osgEarth的大规模流场并行计算方法

全球海洋流场具有数据规模大、计算复杂度高等特点,传统的可视化线性积分卷积(LIC)算法计算时耗高,难以满足大规模流场的实时交互可视化需求。本文基于OSG提出了大规模流场的LIC并行计算可视化方法,计算方法以osgEarth开源渲染引擎为基础,利用GPU的高性能计算技术,构建统一的设备计算框架,实现了LIC算法的并行化以达到加速效果。实验结果表明:该算法的加速比能够提高50倍,可满足全球海洋流场实时交互可视化处理的需求。