能掐會算的海洋之“芯”

張宇

古人預測天氣主要依靠天氣現(xiàn)象，比如在中國古典名著《三國演義》中有“借東風”的情節(jié)：蜀漢丞相諸葛亮通過連續(xù)觀測，結合史書上對長江流域天氣變化的記載推算規(guī)律，準確地預測出東風的到來。他的操作即為標準的天氣預報原理：從歷史觀測中總結規(guī)律，再結合臨近的觀測數(shù)據(jù)，然后預報未來的天氣變化。

“借東風”實非易事，因為大氣海洋運動覆蓋的時空范圍實在是太大了，信息量遠非常人能夠處理。而且僅憑個人經驗得出的主觀預報，可能出現(xiàn)1000個預報員有1000種預報結論的情況。

計算流體力學理論奠基者

要想合理充分地利用觀測信息來預測未來天氣變化，就必須找出歷史觀測事實中隱藏的規(guī)律。以海洋運動為例，整個大海的運動非常復雜，如果把全世界的海洋劃分成一個個海水團，再依次分析每個海水團，就能得出整個海洋的客觀預報。由此，科學家們開始給海水團找規(guī)律。

1687年，英國物理學泰斗艾薩克·牛頓找出了第一個普適規(guī)律，即牛頓第二運動定律：任意物體運動所出現(xiàn)的改變，都是源自外力施加于這個物體。然而，在實際應用中需要一個針對海洋大氣的專有規(guī)律，瑞士科學家萊昂哈德·歐拉在1757年，進一步從牛頓運動定律中具象出歐拉方程，它給出每個小水團的運動方式，即有風吹或者有其他小水團推動，小水團會向哪里運動以及運動的速度。

國家海洋環(huán)境預報中心的超級計算機

但水作為自由度很高的流體，每個小水團并不是很“聽話”。因此，法國工程師兼物理學家納維和愛爾蘭物理學家喬治·斯托克斯將牛頓第二運動定律擴展到流體應用中，提出納維-斯托克斯方程，它奠定了計算流體力學的基礎。從此，誕生了能夠客觀定量描述的運動規(guī)律，這一整套規(guī)律的集合就叫作模式。

如果把海洋按照1立方米的大小劃分為小水團的話，那么全球就有130億億個小水團！每個小水團內部的溫度、鹽度、運動狀態(tài)越統(tǒng)一，那么最終的計算效果也就越好。可是，這對于人類來講是不可能完成的計算任務。因此，有數(shù)十萬的計算核心和百萬億次以上級別計算能力的超級計算機就是必不可少的“助手”了。在它的幫助下，人類終于可以將模式數(shù)值化并開展運算。

目前的數(shù)值模式通常將全球海洋劃分為數(shù)億個約1立方千米的小水團，然后將數(shù)億個小水團分為幾千份，每一份交由一臺計算機計算，這樣可以大大提高模式的求解速度。受計算機的計算能力限制，現(xiàn)代海洋數(shù)值模式對水團的劃分還比較粗糙，數(shù)值模式仍有較大的發(fā)展空間。

2021年12月，由中國完全自主開發(fā)的“海洋環(huán)流數(shù)值模式‘媽祖1.0’”正式發(fā)布。它采用質量守恒物理框架，克服了傳統(tǒng)體積守恒海洋模型在精確模擬海面高度和鹽度等方面的固有缺陷。 相比采用傳統(tǒng)模式，“媽祖1.0”降低能耗90%左右，每年可節(jié)省約200萬元電費，相當于減少碳排放520噸。國家海洋環(huán)境預報中心在不斷推進海洋預報“芯片”工程，不斷提升海洋預報“中國芯”的影響力。

?由海洋環(huán)境數(shù)值模式“媽祖1.0”計算出的西北太平洋海表面高度和黑潮洋流

如果我們能夠突破“將多個數(shù)值模式融合的地球系統(tǒng)數(shù)值模式”這個難題，未來就可以更加準確地預報大氣、海洋氣象災害，乃至長期的氣候預測都將不是夢想。屆時，受過培訓的預報員只需要坐在計算機前輕輕敲擊鍵盤，就可獲得更準確、詳細和客觀的天氣信息。

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