【每日科普】看海洋之“芯”如何能掐会算？

人们希望能通过密集的观测来提升对大气海洋运动规律的认识。但只有观测是远远不够的，做到准确预报才能绕“灾”而行。让我们一起去探个究竟吧。

孔明先生也犯难

古人预测天气主要依靠天气现象，比如在中国古典名著《三国演义》中有“借东风”的情节：蜀汉丞相诸葛亮通过连续观测，结合史书上对长江流域天气变化的记载推算规律，准确地预测出东风的到来。他的操作即为标准的天气预报原理：从历史观测中总结规律，再结合临近的观测数据，然后预报未来的天气变化。‍

“借东风”实非易事，因为大气海洋运动覆盖的时空范围实在是太大了，信息量远非常人能够处理。而且仅凭个人经验得出的主观预报，可能出现1000个预报员有1000种预报结论的情况。

数值模式横空出世

要想合理充分地利用观测信息来预测未来天气变化，就必须找出历史观测事实中隐藏的规律。以海洋运动为例，整个大海的运动非常复杂，如果把全世界的海洋划分成一个个海水团，再依次分析每个海水团，就能得出整个海洋的客观预报。由此，科学家们开始给海水团找规律。‍

▲图 · 计算流体力学理论奠基者

1687年，英国物理学家艾萨克·牛顿找出了第一个普适规律，即牛顿第二运动定律：任意物体运动所出现的改变，都是源自外力施加于这个物体。然而，在实际应用中需要一个针对海洋大气的专有规律，瑞士科学家莱昂哈德·欧拉在1757年，进一步从牛顿运动定律中具象出欧拉方程，它给出每个小水团的运动方式，即有风吹或者有其他小水团推动，小水团会向哪里运动以及运动的速度。

但水作为自由度很高的流体，每个小水团并不是很“听话”。因此，法国工程师兼物理学家纳维和爱尔兰物理学家乔治·斯托克斯将牛顿第二运动定律扩展到流体应用中，提出纳维-斯托克斯方程，它奠定了计算流体力学的基础。从此，诞生了能够客观定量描述的运动规律，这一整套规律的集合就叫作模式。

运转模式的“超强大脑”

如果把海洋按照1立方米的大小划分为小水团的话，那么全球就有130亿亿个小水团！每个小水团内部的温度、盐度、运动状态越统一，那么最终的计算效果也就越好。可是，这对于人类来讲是不可能完成的计算任务。因此，有数十万的计算核心和百万亿次以上级别计算能力的超级计算机就是必不可少的“助手”了。在它的帮助下，人类终于可以将模式数值化并开展运算。

▲图 · 国家海洋环境预报中心的超级计算机

目前的数值模式通常将全球海洋划分为数亿个约1立方千米的小水团，然后将数亿个小水团分为几千份，每一份交由一台计算机计算，这样可以大大提高模式的求解速度。受计算机的计算能力限制，现代海洋数值模式对水团的划分还比较粗糙，数值模式仍有较大的发展空间。

▲图 · 由海洋环境数值模式“妈祖1.0”计算出的西北太平洋表面高度和黑潮洋流。

2021年12月，由中国完全自主开发的“海洋环流数值模式‘妈祖1.0’”正式发布。它采用质量守恒物理框架，克服了传统体积守恒海洋模型在精确模拟海面高度和盐度等方面的固有缺陷。相比采用传统模式，“妈祖1.0”降低能耗90%左右，每年可节省约200万元电费，相当于减少碳排放520吨。国家海洋环境预报中心在不断推进海洋预报“芯片”工程，不断提升海洋预报“中国芯”的影响力。

如果我们能够突破“将多个数值模式融合的地球系统数值模式”这个难题，未来就可以更加准确地预报大气、海洋气象灾害，乃至长期的气候预测都将不是梦想。届时，受过培训的预报员只需要坐在计算机前轻轻敲击键盘，就可获得更准确、详细和客观的天气信息。