我國自主研發！媽祖·海浪預報技術成功應用

海岸雷達監測站。圖片來源：圖蟲創意

通常來說，計算網格生成技術的具體應用步驟如下：

1.確定需求

根據預報區域範圍和所需精度要求，明確網格的總體布局和解析度。這需要綜合考慮海洋環境的複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]

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，在海洋地形複雜、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，以便更精確地模擬這些區域的變化。

3.考慮關鍵地理特徵

充分重視海洋中的關鍵地理特徵，如海岸線、島嶼、海溝等，對於靠近這些特徵的區域，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徵。圖片來源：參考文獻[1]

4.採用多層嵌套網格技術

為提高計算效率和精度，可以運用多層嵌套網格技術，即在大範圍的低解析度網格基礎上，針對重點關注的局部區域，嵌套更高解析度的網格。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。

5.優化網格提升精度

使用優化算法對網格進行優化，減少計算誤差並提高模擬的準確性。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的環境特點和物理規律，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」預報模式就像一個智能的海洋流預測器。它可以「學習」海洋流動的模式，並「記住」這些模式，以便在未來的某個時間點，在給定當前的海洋狀態時，就能夠準確預測接下來的海流走向。這就像一個經驗豐富的船長，通過觀察天空和海面的變化，就能夠預測天氣和海流發展趨勢，從而做出最佳的航行決策。

顯著優勢：預報精度和時空解析度

與傳統的海浪預報方法相比，「媽祖·海浪」預報模式具有顯著優勢。傳統方法往往依賴於經驗公式和簡單的統計模型，其預報精度和時空解析度有限。

而「媽祖·海浪」模式能夠做到很多：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；三是優異的大規模並行可擴展性，可開展13萬CPU核的超規模並行計算；四是領先的GPU並行加速能力，單台GPU伺服器的計算能力相當於90台CPU伺服器，計算能耗降低約88%。

多領域應用潛力

「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，準確的海浪預報對於海上平台的設計、建設和運營至關重要。

它可以幫助工程師們評估海浪對平台結構的衝擊力量，合理設計防護措施，確保平台的安全穩定；它還是航運業的安全導航，能夠提前了解海浪狀況，優化航線規劃，避免船舶在惡劣海況中航行，從而減少航行風險，提高運輸效率；它也是漁業的豐收秘訣，根據海浪情況選擇合適的漁場和作業時間，增加漁獲量，保障漁業生產安全；它更是濱海旅遊的貼心夥伴，旅遊景區可以根據預報提前做好安全防範措施，提醒遊客注意海浪風險，合理安排水上活動。

同時，準確的海浪預報還能為衝浪、帆板等水上運動愛好者提供最佳的運動時間和地點，提升運動體驗。

艱辛的自主研發

然而，「媽祖·海浪」預報模式的研發並非一帆風順，背後是眾多科研人員的辛勤努力，凝聚了大家的智慧結晶。

在研發過程中，研究人員面臨著諸多技術難題和挑戰。例如，如何提高「媽祖·海浪」模式對複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，通過不斷反饋和改進，模式的預報精度得到持續提高。

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台和服務體系。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，讓人們提前做好應對準備。

經自然資源部正式批准，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「質量守恆海洋環流數值模式『媽祖1.0』」（Mass Conservation Ocean Model,簡稱MaCOM1.0）於2021年12月29日正式發布。圖片來源：國家海洋預報台

科技之眼，守護海洋

在2024年第3號超強颱風「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，它有望與人工智慧、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，「媽祖·海浪」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，助力人類與海洋和諧共生，譜寫海洋發展新篇章。

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.

策劃製作

出品丨科普中國

作者丨舟舟 大連理工大學

監製丨中國科普博覽

責編丨董娜娜

審校丨徐來 林林