我国自主研发“妈祖·海浪”预报模式！科技之眼，守护蓝色家园

出品：科普中国

作者：舟舟（大连理工大学）

监制：中国科普博览

编者按：为展现智能科技动态，科普中国前沿科技项目推出“人工智能”系列文章，一窥人工智能前沿进展，回应种种关切与好奇。让我们共同探究，迎接智能时代。

近日，据《中国日报》报道，从自然资源部获悉，由国家海洋环境预报中心自主研发的“妈祖·海浪”预报模式，已获得多次成功应用，保障了重大赛事的顺利举办，有力助推了海浪灾害预警。

名之所起

在广袤无垠的海洋世界里，海浪的起伏变化常常隐藏着未知的风险与机遇。为了更好地洞察海浪的奥秘，保障人类在海洋活动中的安全与利益，科学家们不断探索创新，研发出了先进的海浪预报模式，其中“妈祖·海浪”预报模式便是一颗璀璨的科技明珠。她像一双明亮的眼睛，带领人类洞察海浪的神秘。

“妈祖·海浪”预报模式，这一名字独特而富有深意。妈祖，作为中国沿海地区广受尊崇的海神，象征着护佑与平安；而海浪，则代表着海洋中最具动态和变化的力量。将两者结合，不仅体现了对海洋的敬畏与尊重，更蕴含着借助科技力量守护海洋、保障人类与海洋和谐共处的美好愿景。

海浪蕴含无尽力量

（图片来源：veer图库）

细密网格与多因素考量的魔法

为了实现准确的预报，先进的海浪数值预报模式多采用高分辨率的计算网格，可以想象成是用更细密的网去捕捉海洋中的细微变化。网格越细密，得出的数值对海洋中复杂地形、水流和气象条件的描述就越精确，这种计算网格生成技术被广泛应用于气象或海洋预报模式。

特别要提到的是，在对海洋的观测数据进行收集和分析时所采用的收集数据的渠道十分丰富，以求实现精准的结果。

例如，在海洋中布置大量的浮标和观测站，它们能够实时测量风速、风向、气压、海洋温度、海浪高度等关键参数，并将数据传输回数据中心；也可以通过卫星搭载的各种传感器，获取大面积的海洋表面信息，包括海表面温度、海流速度、海浪特征等；还有过往的商船、科研船等在航行过程中进行观测，记录相关的海洋和气象数据。

同时还有气象部门的大规模数值天气预报数据，沿海地区设置的海洋雷达可以监测近岸的海浪情况，利用声学原理测量海洋中的物理参数……这些数据就像是拼图的碎片，为模式提供了最初的基础信息。

海边的观察点

（图片来源：veer图库）

通常来说，计算网格生成技术的具体应用步骤如下：

确定需求：根据预报区域的范围和所需的精度要求，明确网格的总体布局和分辨率。这需要综合考虑海洋环境的复杂性以及具体的预报应用需求。

渤海湾分布的观察站

（图片来源：参考文献2）

划分单元格：利用先进的数值算法和模型构建技术，将预报区域划分为一系列规则或不规则的单元格。在划分过程中，会依据海洋中的地形、水流、气象等因素对单元格的大小和形状进行调整。例如，在海洋地形复杂、水流变化剧烈或气象条件特殊的区域，单元格可能会划分得更小，以更精确地模拟这些区域的变化。

考虑关键地理特征：充分重视海洋中的关键地理特征，如海岸线、岛屿、海沟等。对于靠近这些特征的区域，进一步加密网格，使其更加细密。这样可以更准确地描述海洋环境在这些特殊地理位置附近的变化情况。

利用网格确定具体地理特征

（图片来源：参考文献1）

采用多层嵌套网格技术：为提高计算效率和精度，运用多层嵌套网格技术。即在大范围的低分辨率网格基础上，针对重点关注的局部区域，嵌套入更高分辨率的网格。这样可以在保证计算效率的同时，对特定区域进行更精细地模拟和预报。

优化网格：使用优化算法对网格进行优化，以减少计算误差并提高模拟的准确性。通过不断调整和改进网格的分布和参数，使其更符合实际海洋环境的特点和物理规律，从而提升海浪预报的精度和可靠性。

利用模型输入数据进行预测

（图片来源：参考文献1）

从科普的角度来看，“妈祖·海浪”预报模式就像是一个智能的海洋流预测器。它可以“学习”海洋流动的模式，并“记住”这些模式，以便在未来的某个时间点，当给定当前的海洋状态时，能够准确预测海流的走向。这就像是一个经验丰富的船长，通过观察天空和海面的变化，能够预测天气和海流，从而做出最佳的航行决策。

超越传统的卓越表现

与传统的海浪预报方法相比，“妈祖·海浪”预报模式具有显著的优势。传统方法往往依赖于经验公式和简单的统计模型，其预报精度和时空分辨率有限。

而“妈祖·海浪”模式能够做到的很多：一是先进的六边形网格及动力框架，能够在重点加密海域和南北极高纬度海域获得高精度预报结果；二是高效的卷积波波非线性作用项算法，使其计算效率提升三分之一；三是优异的大规模并行可扩展性，可开展13万CPU核的超规模并行计算；四是领先的GPU并行加速能力，单台GPU服务器的计算能力相当于90台CPU服务器，计算能耗降低约88%。

多领域的神奇助力

妈祖·海浪预报模式应用领域十分广泛。它是海洋工程的坚实护盾——准确的海浪预报对于海上平台的设计、建设和运营至关重要。

它可以帮助工程师们评估海浪对平台结构的冲击力量，合理设计防护措施，确保平台的安全稳定；是航运业的安全导航——提前了解海浪状况可以优化航线规划，避免船舶在恶劣海况中航行，减少航行风险，提高运输效率；是渔业的丰收秘诀——根据海浪情况选择合适的渔场和作业时间，增加渔获量，保障渔业生产的安全；更是滨海旅游的贴心伙伴——旅游景区可以根据预报提前做好安全防范措施，提醒游客注意海浪风险，合理安排水上活动。

准确的海浪预报提供更加便利的渔业条件

（图片来源：veer图库）

同时，准确的海浪预报还能为冲浪、帆板等水上运动爱好者提供最佳的运动时机和地点，提升他们的运动体验。

研发背后的艰辛征途

然而，“妈祖·海浪”预报模式的研发并非一蹴而就，背后凝聚着众多科研人员的辛勤努力和智慧结晶。

在研发过程中，研究人员们面临着诸多技术难题和挑战。例如，如何提高模式对复杂海洋环境的适应性，如何处理海量的观测数据和计算结果，如何验证和改进模式的预报精度等。为了解决这些问题，科研团队不断进行技术创新和优化，开展大量的数值实验和实地观测验证，逐步完善和提升了模式的性能。

为了确保“妈祖·海浪”预报模式的准确性和可靠性，严格的验证和评估工作必不可少。科研人员会将预报结果与实际观测数据进行对比分析，计算误差指标，评估模式在不同海况和季节条件下的表现，通过不断地反馈和改进，模式的预报精度得以持续提高。

同时，为了让更多的人能够便捷地获取海浪预报信息，相关部门还建立了完善的信息发布平台和服务体系。通过网站、手机应用、广播电视等多种渠道，及时向公众发布海浪预报产品，让人们能够提前做好应对准备。

经自然资源部正式批准，由国家海洋环境预报中心（自然资源部海啸预警中心）自主研发的“质量守恒海洋环流数值模式‘妈祖1.0’”(英文名称：Mass Conservation Ocean Model,简称MaCOM1.0)于2021年12月29日正式发布

（图片来源：国家海洋预报台 ）

科技之眼，海洋之福

在2024年第3号超强台风“格美”影响期间，我国自主研发的“妈祖·海浪”模式首次被用于海浪预警，为海浪的及时、准确预警提供了重要支撑。随着科技的不断进步和海洋经济的快速发展，“妈祖·海浪”预报模式也在不断演进和完善。未来，它有望与人工智能、大数据等新兴技术深度融合，进一步提高预报精度和时效性。

同时，随着全球气候变化对海洋环境的影响日益显著，模式也将在应对极端海况、海洋灾害预警等方面发挥更加重要的作用。相信在未来，这一科技之眼将继续照亮我们与海洋同行的道路，助力人类与海洋的和谐共生，共同谱写蓝色发展的新篇章。

参考文献：

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