基于GPU的实时水面场景并行渲染算法

水面的模拟历来都是一个难题。近几年,随着图形处理器(GPU)的迅速发展,它的功能不再局限于图形处理,而是进入到了通用计算领域,所以可以利用GPU的并行计算优势来加速水面的模拟过程。本文研究的主要内容是海浪的实时模拟绘制。海浪渲染算法使用了投影网格技术,使用CUDA并行计算方法对投影网格顶点坐标的计算进行加速,比较使用CPU进行大数据量计算和使用GPU进行大数据量计算的速度差异。最终,改进后的程序渲染速度大幅提高,使得程序可以在生成更逼真画面的同时保持令人满意的帧率。     

基于图形处理器的海浪仿真研究

提出了一种新的海浪数学模型构造算法,利用基本噪音函数构建Perlin噪音函数,并利用Perlin噪音函数生成的高度场为海浪中的水质点提供高度采样源。同时针对海浪仿真中计算量大的问题,以及依赖CPU完成图形运算的不足,提出用图形处理器(GPU)中的顶点着色器和像素着色器实现海浪的仿真,以平衡CPU和GPU的负载,确保仿真实时和逼真的视觉效果。     

基于MPI的LAGFD-WAM海浪数值模式并行算法研究

在LAGFD-WAM海浪串行数值模式基础上,利用MPI信息传递机制实现其并行化。通过对模拟区域合理划分,对数据采取分块加载,实现了各个节点的负载平衡;通过对算法的改进实现了粗粒度计算,大幅度减少了通信量,从而提高了程序的执行效率。对串行计算和并行计算的效率比较表明,本文建立的方法能够得到较高的加速比。对全球海浪模式,加速比和CPU数目大致呈线性关系。对高分辨率的区域海浪模式,在128 CPU条件下加速比可以达到91.9。     

日本沿岸区域海浪业务预报模式的进展

一、前 言 日本气象厅沿岸海浪模式由大网格套小网格的三个梯级组成:第一梯级采用粗网格（间距381公里）,第二梯级采用细网格（间距127公里）,最后采取加细网格（间距10公里）。本文简单地介绍大洋海浪模式、沿岸海浪模式、模式的运算流程以及应用实测资料对计算结果的验证情况。     

基于GPU加速的Boussinesq类波浪传播变形数值模型

Boussinesq波浪模型是一类相位解析模型,在时域内求解需要较高的空间和时间分辨率以保证计算精度。为提高计算效率,有必要针对该类模型开展并行算法的研究。与传统的中央处理器(CPU)相比,图形处理器(GPU)有大量的运算器,可显著提高计算效率。基于统一计算设备架构CUDA C语言和图形处理器,实现了Boussinesq模型的并行运算。将本模型的计算结果同CPU数值模拟结果和解析解相比较,发现得到的结果基本一致。同时也比较了CPU端与GPU端的计算效率,结果表明,GPU数值模型的计算效率有明显提升,并且伴随数值网格的增多,提升效果更为明显。     

南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统研制

本文主要介绍了南海及邻近海域大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的研制概况。预报区域为99°E~135°E,15°S~45°N,包括渤海、黄海、东海和南海及其周边海域。为了给耦合预报模式提供较准确的预报初始场,在预报开始之前,分别进行了海浪模式和海洋模式的前24小时同化后报模拟。海浪模式和海洋模式都采用了集合调整Kalman滤波同化方法,海浪模式同化了Jason-2有效波高数据;海洋模式同化了SST数据、MADT数据和ARGO剖面数据。为了改进海洋温度和盐度的模拟,我们在海洋模式的垂向混合方案中引入波致混合和内波致混合的作用。预报系统的运行主要包括两个阶段,首先海浪模式和海洋模式进行了2014年1月至2015年10月底的同化后报模拟,强迫场源自欧洲气象中心的六小时的再分析数据产品。然后耦合预报系统将同化后报模拟的结果作为初始场进行了14个月的耦合预报。预报产品包括大气产品（气温、风速风向、气压等）、海浪产品（有效波高和波向等）、海流产品（温度、盐度和海流等）。一系列观测资料的检验比较表明该大气-海浪-海洋耦合精细化数值预报系统的预报结果较为可靠,可以为南海及周边海洋资源开发和安全保障提供数据和信息产品服务。     

WAVEWATCH-Ⅲ海浪模式中岛屿次网格效应的检验与比较

综合利用水深数据和高分辨率海岸线数据,在优化WAVEWATCH-Ⅲ模式计算网格的基础上,发展了波能通量穿透度系数自动计算方法,完善了岛屿次网格地形效应计算方案;并与直接提高网格空间分辨率来分辨多岛屿地形处理方案的计算效果进行对比研究。表明:岛屿次网格效应方案充分体现了海岸和多岛屿地形对海浪传播的影响,且主要是对低频海浪能量的抑制和阻碍作用,对模式计算结果有明显改善;在低分辨计算网格中考虑岛屿次网格效应时,模式对有效波高的计算精度与高分辨率网格的结果精度相当,且计算效率有显著提高。     

基于WebGL的海岛环境场三维可视化

为解决海岛环境场三维可视化过程中存在的计算速度慢、渲染效果差和人 机交互不流畅等问题,文章基于WebGL和GPU加速渲染技术,提出基于WebGL的海岛环境场三维可视化方法。对不同环境场进行数学建模,其中矢量场基于二阶欧拉积分算法构建粒子运动模型,标量场基于双线性插值生成网格并建立颜色映射模型;基于视角感知构建多尺度变换模型,建立不同视角下矢量场的多尺度三维展示模型;基于GPU渲染技术,实现海岛环境场的三维可视化。实验结果表明,在GPU模式下,矢量场的渲染速度可达60 FPS,与CPU模式相比性能提升1.6～5.0倍,满足矢量场三维可视化的需求,同时极大地提升标量场的可视化效果,解决渲染效果颗粒感重和分级色差弱等问题。     

一个基于GPU并行加速的海啸数值模型

地震海啸通常发生在大洋板块向陆地板块俯冲的区域,距离震源最近的国家和地区往往在震后5～20 min之内就会遭受到海啸袭击。因此,及时的海啸预警和准确的海啸预报结果对于民众和决策者都至关重要。为了提升海啸预警效率,缩短海啸预报时间,本研究对COMCOT海啸数值模型进行了基于图形计算单元GPU的二次并行开发。将原模型中海啸传播计算模块通过CUDA＿C语言编写内核函数整体移植到GPU上并行加速,CPU负责模型其他代码的执行。为了减少CPU和GPU之间的数据通信,将吸收边界和变量更新函数一并改写。仅在需要输出的时间节点,GPU向CPU传递结果,其他时间步长,CPU和GPU之间只有指令和少量参数传输,基本可视为零耗时。基于GPU并行加速的COMCOT较串行版本效率提升超过67倍,加速性能显著优于基于CPU共享内存的OpenMP并行版本。交叉使用常水深和真实地形,采用均匀滑移海啸源和有限元海啸源对模型的计算结果进行了较为全面的分析检验,相对误差最大不超过1%,为大范围的越洋海啸实时计算提供了有力工具。     

琉球群岛海域海浪数值计算地形处理效应及试验分析

针对琉球群岛海域内多岛屿复杂地形对海浪数值计算的特殊影响,发展一种综合利用水深数据和高分辨率海岸线数据优化计算网格且引入次网格地形效应的方法,并利用WAVEWATCH-Ⅲ模式进行连续1个月的数值模拟试验。结果表明:采用该方法后,在计算网格分辨率上,充分考虑了海岸和多岛屿地形对海浪传播的作用和多岛屿的次网格效应,数值计算结果有明显改善。     

山东半岛东部沿海海浪预报方法初步探讨

本文采用麦夸特法（Levenberg—Marquardt）＋通用全局优化的拟合方法,依据山东半岛不同海区海浪和风的实况资料,确定不同海区拟合方程,拟合方程以WRF风场预报模式预报24小时风速为预报因子,以海浪浪高为预报量。根据拟合方程计算出的每个海区的浪高的值,对每个海区分别进行海浪的浪高预报,产品以GRADES图形的形式输出。     

三维自由面流动模拟中GPU并行计算技术

MPS(Moving Particle Semi-implicit)法能够有效地处理溃坝、晃荡等自由面大变形流动问题。在三维MPS方法中,粒子数量的急剧增加会导致其计算效率的降低并限制其在大规模流动问题中的应用。基于自主开发的MPS求解器MLParticleSJTU,本文对求解过程中耗时最多的邻居粒子搜寻和泊松方程求解两个模块采用了GPU并行加速,详细探讨了CPU+GPU策略。以三维晃荡和三维溃坝这两种典型的自由面大变形流动为例,比较了CPU+GPU相对于MLParticle-SJTU串行求解时的加速情况,结果表明CPU+GPU在邻居粒子和泊松方程这两个模块中的加速比最高能达到十倍左右。此外,采用CPU+GPU并行能够较准确地模拟溃坝、晃荡等自由面大变形问题。     

两种网格下的SWAN模式对黄渤海海浪模拟比较

采用NCEP再分析风场作为驱动海浪模式的强迫场,在考虑相同物理过程和分辨率基础上,SWAN海浪模式分别采用矩形网格和非结构三角网格对2000年12月黄渤海海域波浪场进行模拟,并将模拟的有效波高与海洋浮标观测数据作对比分析,结果表明,SWAN模式运用两种网格均能够取得良好的模拟结果,相对矩形网格,非结构三角网格模拟有效波...     

复杂群岛海域海浪数值模拟方法及试验

在复杂群岛海域海浪模拟中,发展一种综合利用水深数据和高分辨率海岸线数据优化计算网格和在海浪数值计算中引入次网格地形效应的方法,充分描述多岛屿复杂地形分布对海浪模拟的影响.通过理想试验和实际应用表明:采用该方法后.在计算网格分辨率水平上,充分考虑了海岸和多岛屿地形对海浪传播的作用和多岛屿的次网格效应.数值计算结果有明显改善.     

北■海域台风浪数值预报模式的应用和发展

北海域位于东海南部,为灾害性台风浪的频发海域,直接影响本海域的台风,平均每年为３次,给社会经济带来了很大的危害。本文主要是在应用“八五”攻关成果的基础上,利用历史资料,筛选出一套适合于北海域的台风浪数值预报模式,并试图对它进行优化和发展：①在计算时,将采用（１／４）°×（１／４）°的细网格;②在边界条件的处理上,将扩大计算区域,把大区域得到的结果作为本海域的边界条件;③优化海上风的预报模式,以提高风场的预报精度,进而提高浪场的预报精度;④调整地形信息场,预报海浪数值预报模式调用。经过对９７年影响本海域的两次台风过程的试预报,预报效果令人满意,模式的运行也很稳定。海浪数值预报模式得出的结果,可以为防台减灾提供科学的依据,也可供海浪经验预报和海洋工程作参考。     

一种台风浪的数值预报方法

本文介绍由台风实时预报气压场资料、海上风的数值模式和台风浪数值模式三者构成的一种台风浪数值预报方法.在西北太平洋-中国近海20m以上深水区采用1°×1°网格“新型混合型海浪数值模式”[1,2],而在南海和东海近海台风浪多发区内(含浅水区),分成若干小区块,采用(1/4)°×(1/4)°细网格,分别嵌套浅水WAM模式[3].小区域的边界条件由大区域得到的计算结果提供.该方法经过1990、1991、1992年的试报[4]、改进和完善后,于1993年6月开始进入国家海洋预报台的海浪预报业务.已对22个台风过程的台风浪进行模式跟踪预报,即准业务化预报.该方法运行稳定、预报结果也令人满意.1994年7月10日该方法的数值预报产品已在中央电视台午间新闻播出.     

LAGFD-Ⅱ区域性海浪数值模式及其应用 Ⅱ.特征线嵌入网格计算方法

给出了LAGFD-Ⅱ区域性海浪数值预报模式的数值计算格式和特征线嵌入网格计算方法,并给出了与WAM模式对比的计算结果和渤海寒潮浪模拟与实测数据的比较,结果是相当一致的。     

WaveWatch III 和SWAN模型嵌套技术在业务化海浪预报系统中的应用及检验

根据钓鱼岛海域海监巡航执法保障预报、重点海洋安全保障目标精细化预报等海浪业务化预报工作的新需求,基于 WRF 海面风场预报模型,利用结构网格海浪模型WaveWatch 芋和非结构网格海浪模型SWAN （Simulating Waves Nearshore） 的嵌套计算,建立一套适用于东海区和上海近海的海浪数值预报系统。通过不同数值实验,证明此系统的稳定性和时效性。 利用观测数据对连续2 个月的有效波高值的预报结果进行检验,结果表明：24小时预报平均绝对误差在0.3 m以下;48 小时 预报平均绝对误差在0.5 m以下;72 小时预报平均绝对误差在0.7 m以下,且误差极值主要是由台风过程引起,但预报趋势 仍值得参考。对2次台风过程采用不同风场源数据进行对比试验,结果显示采用实况路径的后报风场,海浪预报精度明显改 善。对于近岸区域采用嵌套计算的SWAN模型预报结果比WaveWatch III 模型预报结果精度显著提高,证明建立的海浪数值 预报系统在满足“稳定性”和“时效性”的基础上,各尺度和分辨率的预报产品“准确性”也能得到保证。     

海洋环境数值预报检验方法的探讨与测试

对获得的海浪有效波高、海表温度、剖面温度和水位等要素的实测数据以及历史CTD资料,通过对这些数据进行分析和处理,检验WW3海浪、三维温盐流以及MODAS(模块化数据同化系统)等模式的数值预报产品,并设计相应的软件进行各时次的实时比对和旬月统计,自动生成客观的旬月检验报告.为改进预报模式、提高数值预报的准确性和预报产品的使用率提供可靠的依据.     

基于SAR图像速度聚束调制的海浪反演研究

本文首先对合成孔径雷达（SAR）海浪成像中的3种调制（倾斜调制、流体力学调制与速度聚束调制）的影响进行了对比分析,结果显示:速度聚束调制对SAR图像的影响最为显著。另外,由于SAR图像中固有相干斑噪声的存在,较低波数范围的噪声难以滤除或抑制,利用经典MPI方法反演海浪谱会造成低波数范围谱值偏大。基于此,本文借鉴经典MPI海浪谱反演算法,建立了基于速度聚束调制的海浪方位向斜率谱和有效波高的反演算法。通过将经典MPI方法、同极化调制法及本文算法等3种海浪反演方法所得有效波高与浮标数据进行比较,结果显示:本文方法反演得到的海浪有效波高与浮标数据获得的有效波高之间的均方误差为0.79 m,为3种方法中最小。