出品：科普中國
作者：舟舟（大連理工大學）
監制：中國科普博覽
編者按：為展現智能科技動態，科普中國前沿科技項目推出“人工智能”系列文章，一窺人工智能前沿進展，回應種種關切與好奇。讓我們共同探究，迎接智能時代。
近日，據《中國日報》報道，從自然資源部獲悉，由國家海洋環境預報中心自主研發的“媽祖·海浪”預報模式，已獲得多次成功應用，保障了重大賽事的順利舉辦，有力助推了海浪災害預警。
名之所起
在廣袤無垠的海洋世界里，海浪的起伏變化常常隱藏著未知的風險與機遇。為了更好地洞察海浪的奧秘，保障人類在海洋活動中的安全與利益，科學家們不斷探索創新，研發出了先進的海浪預報模式，其中“媽祖·海浪”預報模式便是一顆璀璨的科技明珠。她像一雙明亮的眼睛，帶領人類洞察海浪的神秘。
“媽祖·海浪”預報模式，這一名字獨特而富有深意。媽祖，作為中國沿海地區廣受尊崇的海神，象征著護佑與平安；而海浪，則代表著海洋中最具動態和變化的力量。將兩者結合，不僅體現了對海洋的敬畏與尊重，更蘊含著借助科技力量守護海洋、保障人類與海洋和諧共處的美好愿景。
海浪蘊含無盡力量
（圖片來源：veer圖庫）
細密網格與多因素考量的魔法
為了實現準確的預報，先進的海浪數值預報模式多采用高分辨率的計算網格，可以想象成是用更細密的網去捕捉海洋中的細微變化。網格越細密，得出的數值對海洋中復雜地形、水流和氣象條件的描述就越精確，這種計算網格生成技術被廣泛應用于氣象或海洋預報模式。
特別要提到的是，在對海洋的觀測數據進行收集和分析時所采用的收集數據的渠道十分豐富，以求實現精準的結果。
例如，在海洋中布置大量的浮標和觀測站，它們能夠實時測量風速、風向、氣壓、海洋溫度、海浪高度等關鍵參數，并將數據傳輸回數據中心；也可以通過衛星搭載的各種傳感器，獲取大面積的海洋表面信息，包括海表面溫度、海流速度、海浪特征等；還有過往的商船、科研船等在航行過程中進行觀測，記錄相關的海洋和氣象數據。
同時還有氣象部門的大規模數值天氣預報數據，沿海地區設置的海洋雷達可以監測近岸的海浪情況，利用聲學原理測量海洋中的物理參數……這些數據就像是拼圖的碎片，為模式提供了最初的基礎信息。
海邊的觀察點
（圖片來源：veer圖庫）
通常來說，計算網格生成技術的具體應用步驟如下：
確定需求：根據預報區域的范圍和所需的精度要求，明確網格的總體布局和分辨率。這需要綜合考慮海洋環境的復雜性以及具體的預報應用需求。
渤海灣分布的觀察站
（圖片來源：參考文獻2）
劃分單元格：利用先進的數值算法和模型構建技術，將預報區域劃分為一系列規則或不規則的單元格。在劃分過程中，會依據海洋中的地形、水流、氣象等因素對單元格的大小和形狀進行調整。例如，在海洋地形復雜、水流變化劇烈或氣象條件特殊的區域，單元格可能會劃分得更小，以更精確地模擬這些區域的變化。
考慮關鍵地理特征：充分重視海洋中的關鍵地理特征，如海岸線、島嶼、海溝等。對于靠近這些特征的區域，進一步加密網格，使其更加細密。這樣可以更準確地描述海洋環境在這些特殊地理位置附近的變化情況。
利用網格確定具體地理特征
（圖片來源：參考文獻1）
采用多層嵌套網格技術：為提高計算效率和精度，運用多層嵌套網格技術。即在大范圍的低分辨率網格基礎上，針對重點關注的局部區域，嵌套入更高分辨率的網格。這樣可以在保證計算效率的同時，對特定區域進行更精細地模擬和預報。
優化網格：使用優化算法對網格進行優化，以減少計算誤差并提高模擬的準確性。通過不斷調整和改進網格的分布和參數，使其更符合實際海洋環境的特點和物理規律，從而提升海浪預報的精度和可靠性。
利用模型輸入數據進行預測
（圖片來源：參考文獻1）
從科普的角度來看，“媽祖·海浪”預報模式就像是一個智能的海洋流預測器。它可以“學習”海洋流動的模式，并“記住”這些模式，以便在未來的某個時間點，當給定當前的海洋狀態時，能夠準確預測海流的走向。這就像是一個經驗豐富的船長，通過觀察天空和海面的變化，能夠預測天氣和海流，從而做出最佳的航行決策。
超越傳統的卓越表現
與傳統的海浪預報方法相比，“媽祖·海浪”預報模式具有顯著的優勢。傳統方法往往依賴于經驗公式和簡單的統計模型，其預報精度和時空分辨率有限。
而“媽祖·海浪”模式能夠做到的很多：一是先進的六邊形網格及動力框架，能夠在重點加密海域和南北極高緯度海域獲得高精度預報結果；二是高效的卷積波波非線性作用項算法，使其計算效率提升三分之一；三是優異的大規模并行可擴展性，可開展13萬CPU核的超規模并行計算；四是領先的GPU并行加速能力，單臺GPU服務器的計算能力相當于90臺CPU服務器，計算能耗降低約88%。
多領域的神奇助力
媽祖·海浪預報模式應用領域十分廣泛。它是海洋工程的堅實護盾——準確的海浪預報對于海上平臺的設計、建設和運營至關重要。
它可以幫助工程師們評估海浪對平臺結構的沖擊力量，合理設計防護措施，確保平臺的安全穩定；是航運業的安全導航——提前了解海浪狀況可以優化航線規劃，避免船舶在惡劣海況中航行，減少航行風險，提高運輸效率；是漁業的豐收秘訣——根據海浪情況選擇合適的漁場和作業時間，增加漁獲量，保障漁業生產的安全；更是濱海旅游的貼心伙伴——旅游景區可以根據預報提前做好安全防范措施，提醒游客注意海浪風險，合理安排水上活動。
準確的海浪預報提供更加便利的漁業條件
（圖片來源：veer圖庫）
同時，準確的海浪預報還能為沖浪、帆板等水上運動愛好者提供最佳的運動時機和地點，提升他們的運動體驗。
研發背后的艱辛征途
然而，“媽祖·海浪”預報模式的研發并非一蹴而就，背后凝聚著眾多科研人員的辛勤努力和智慧結晶。
在研發過程中，研究人員們面臨著諸多技術難題和挑戰。例如，如何提高模式對復雜海洋環境的適應性，如何處理海量的觀測數據和計算結果，如何驗證和改進模式的預報精度等。為了解決這些問題，科研團隊不斷進行技術創新和優化，開展大量的數值實驗和實地觀測驗證，逐步完善和提升了模式的性能。
為了確保“媽祖·海浪”預報模式的準確性和可靠性，嚴格的驗證和評估工作必不可少。科研人員會將預報結果與實際觀測數據進行對比分析，計算誤差指標，評估模式在不同海況和季節條件下的表現，通過不斷地反饋和改進，模式的預報精度得以持續提高。
同時，為了讓更多的人能夠便捷地獲取海浪預報信息，相關部門還建立了完善的信息發布平臺和服務體系。通過網站、手機應用、廣播電視等多種渠道，及時向公眾發布海浪預報產品，讓人們能夠提前做好應對準備。
經自然資源部正式批準，由國家海洋環境預報中心（自然資源部海嘯預警中心）自主研發的“質量守恒海洋環流數值模式‘媽祖1.0’”(英文名稱：Mass Conservation Ocean Model,簡稱MaCOM1.0)于2021年12月29日正式發布
（圖片來源：國家海洋預報臺 ）
科技之眼，海洋之福
在2024年第3號超強臺風“格美”影響期間，我國自主研發的“媽祖·海浪”模式首次被用于海浪預警，為海浪的及時、準確預警提供了重要支撐。隨著科技的不斷進步和海洋經濟的快速發展，“媽祖·海浪”預報模式也在不斷演進和完善。未來，它有望與人工智能、大數據等新興技術深度融合，進一步提高預報精度和時效性。
同時，隨著全球氣候變化對海洋環境的影響日益顯著，模式也將在應對極端海況、海洋災害預警等方面發揮更加重要的作用。相信在未來，這一科技之眼將繼續照亮我們與海洋同行的道路，助力人類與海洋的和諧共生，共同譜寫藍色發展的新篇章。
參考文獻：
1.XIE Cui，CHEN Ping，MAN Tenghao，DONG Junyu.STCANet:Spatiotemporal Coupled Attention Network for Ocean Surface Current Prediction[J].Journal of Ocean University of China,2023,第22卷(2): 441-451
2.Cifu Fu;Jie Xiong;Fujiang Yu.Storm surge forecasting based on physics-informed neural networks in the Bohai Sea[J].Journal of Physics: Conference Series,2024,Vol.2718: 012057
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