羅俊博，方少亮，劉誠

（1.廣東省科技基礎(chǔ)條件平臺中心，廣州　510033；2.廣東省高性能計算重點(diǎn)實驗室，廣州　510033 3.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣州　510033）

基于高性能計算的風(fēng)暴潮模擬預(yù)報平臺技術(shù)研究

羅俊博1，2，方少亮1，2，劉誠3

（1.廣東省科技基礎(chǔ)條件平臺中心，廣州510033；2.廣東省高性能計算重點(diǎn)實驗室，廣州510033 3.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣州510033）

0　引言

地球表面積的70%為海洋覆蓋，中國沿海是全球少數(shù)幾個風(fēng)暴潮風(fēng)險最大的區(qū)域之一，海洋災(zāi)害對我國沿海經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和海洋生態(tài)環(huán)境造成了諸多不利影響。我國海洋災(zāi)害主要包括風(fēng)暴潮、海浪、海冰、赤潮、綠潮、海平面變化、海岸侵蝕、海水入侵及土壤鹽漬化、咸潮入侵等，其中風(fēng)暴潮是主要海洋災(zāi)害。隨著全球氣候的變化，我國還存在發(fā)生海嘯巨災(zāi)的潛在風(fēng)險。據(jù)《2015年中國海洋災(zāi)害公報》顯示：“2015年，我國海洋災(zāi)情總體偏輕，各類海洋災(zāi)害共造成直接經(jīng)濟(jì)損失72.74億元，死亡（含失蹤）30人。其中，造成直接經(jīng)濟(jì)損失最嚴(yán)重的是風(fēng)暴潮災(zāi)害，占總直接經(jīng)濟(jì)損失的99.8%。”廣東面向南海，毗鄰港澳，是我國大陸與東南亞、中東以及大洋洲、非洲、歐洲各國海上航線最近的地區(qū)，廣東省作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速、社會經(jīng)濟(jì)總量較高、居住密度較大的區(qū)域，是我國參與經(jīng)濟(jì)全球化的主體區(qū)域和對外開放的重要窗口，也是在海洋災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失最嚴(yán)重的省份之一。建國以來，影響廣東省沿海地區(qū)的臺風(fēng)每年平均約6個左右，對廣東省沿海地區(qū)造成較大影響的臺風(fēng)每年平均3.8個，其中2015年，因災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失28.77億元。隨著海洋觀測領(lǐng)域的拓寬，觀測站點(diǎn)的大面積建設(shè)，海洋災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作有序開展，海洋災(zāi)害的動態(tài)發(fā)布，為災(zāi)害防御工作提供了有力的支撐。但是鑒于風(fēng)暴潮災(zāi)害所造成的損失巨大，風(fēng)暴潮災(zāi)害預(yù)報的準(zhǔn)確性和時效性要求越來越高，快速處理采集到的數(shù)據(jù)，達(dá)到在盡可能短的時段內(nèi)模擬得到盡可能長時段的預(yù)測結(jié)果要求。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，并行運(yùn)行技術(shù)的廣泛應(yīng)用，結(jié)合氣和風(fēng)暴潮水體運(yùn)動的物理特征，基于高性能計算的風(fēng)暴潮模擬與預(yù)報技術(shù)開始研究和發(fā)展，提高計算效率，滿足風(fēng)暴潮災(zāi)害的時效性要求。

1　風(fēng)暴潮預(yù)報技術(shù)發(fā)展

風(fēng)暴潮是我國受災(zāi)嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，風(fēng)暴潮預(yù)報技術(shù)研究意義重大，根據(jù)風(fēng)暴潮的預(yù)報，模擬即將發(fā)生的風(fēng)暴潮，可以預(yù)測災(zāi)害的強(qiáng)度、發(fā)展過程，做好預(yù)防和減輕災(zāi)害準(zhǔn)備工作。目前，國際上已開展臺風(fēng)風(fēng)暴潮相關(guān)研究很多年，形成一定的研究成果。我國的研究起步較晚，在研究國外的技術(shù)基礎(chǔ)上，形成符合我國特點(diǎn)的風(fēng)暴潮預(yù)報技術(shù)，但主要偏重于風(fēng)暴潮模擬。

國外科研人員結(jié)合本土海岸帶特點(diǎn)進(jìn)行研究，形成臺風(fēng)風(fēng)暴潮的計算模型。自八十年代中期，荷蘭開始用DCSM（Dutch Continental Shelf Model）模式預(yù)報風(fēng)暴潮，其氣象強(qiáng)迫場由HiSLAM（High-Solution Limited Area Model）氣象模式的預(yù)報結(jié)果提供，當(dāng)計算水位超過預(yù)定的預(yù)警閾值時，會發(fā)送通知到風(fēng)暴潮預(yù)警部門，通過預(yù)警部門的工作經(jīng)驗和數(shù)值相結(jié)合，發(fā)布一個或多個預(yù)警水位（針對不同海域不同的預(yù)警水位）。美國自1972年引入SPLASH風(fēng)暴潮模式，并于1992年升級成SLOSH，這個二維流體動力學(xué)數(shù)值模式成為美國的國家風(fēng)暴潮預(yù)報模式，在世界上其他國家的應(yīng)用也最為廣泛。

在我國，秦曾灝和馮士筰于1975年采用零階模型和一階模型模擬風(fēng)暴潮。孫文心等1975年通過構(gòu)造風(fēng)場，利用零階模型來模擬渤海風(fēng)暴潮，1980年孫文心開始采用實際風(fēng)場模擬渤海風(fēng)暴潮。王喜年等于1991年建立二維臺風(fēng)風(fēng)暴潮動力數(shù)值模式模擬中國海臺風(fēng)風(fēng)暴潮。1992年至1995年，孫文心等人組建的團(tuán)隊建立了我國第二代風(fēng)暴潮模擬模式，提高了模擬精度。近年來，于福江和張占海于2002年建立了一個覆蓋東海的兩重嵌套網(wǎng)格高分辨率的臺風(fēng)暴潮數(shù)數(shù)值預(yù)算模式。劉娟于2004年建立了汕頭地區(qū)的多層嵌套風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型。莎日娜和尹寶樹于2007年采用POM模式建立了天津近岸海域三維東邊界風(fēng)暴潮漫灘模型。閆麗鳳等于2008年利用GRAPES模式對“0703”號強(qiáng)風(fēng)暴潮進(jìn)行模擬。夏波等于2008年基于有限元方法采用三角網(wǎng)格建立一個高分辨率的潮汐風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型。高欽欽等人于2012年應(yīng)用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的海洋數(shù)值模式FVCOM建立了福建沿海、珠江口和海南風(fēng)暴潮模擬模式。

2　高性能計算在災(zāi)害預(yù)報領(lǐng)域的應(yīng)用研究

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為災(zāi)害預(yù)報技術(shù)提供了有利的支撐。但是在實際工作需求中需要通過延長風(fēng)暴潮預(yù)報的時效，來減輕風(fēng)暴潮災(zāi)害的損失。但是在延長預(yù)報時效的同時，預(yù)報的準(zhǔn)確度將受到影響；而提高預(yù)報準(zhǔn)確性就要縮減預(yù)報的時效，同時還需要依賴風(fēng)場、氣場等采集的數(shù)據(jù)資料。隨著并行計算技術(shù)的發(fā)展，在高性能計算系統(tǒng)上將一個應(yīng)用分解為多個子任務(wù)，分配給不同的處理器處理，各個處理器之間相互協(xié)同，并行地執(zhí)行子任務(wù)，實現(xiàn)加快求解任務(wù)或提高求解應(yīng)用問題規(guī)模，應(yīng)用在氣象預(yù)報時，同時計算多個模型，保證預(yù)報的實時性。高性能計算已應(yīng)用到“南海區(qū)域?qū)崟r海氣數(shù)值預(yù)報試驗平臺”上，實現(xiàn)對南海及周邊區(qū)域的大氣狀況進(jìn)行預(yù)報，已多次準(zhǔn)確預(yù)報了臺風(fēng)、風(fēng)暴等自然海洋災(zāi)害，如超強(qiáng)臺風(fēng)“凡亞比”、“鮎魚”的強(qiáng)度、移動路徑等，為國家和南海沿海居民降低了經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

3　基于高性能計算的風(fēng)暴潮模擬預(yù)報平臺技術(shù)研究

鑒于風(fēng)暴潮災(zāi)害所造成的損失巨大，風(fēng)暴潮災(zāi)害預(yù)報的社會需求巨大。風(fēng)暴潮預(yù)報的時效性要求很高，需要在盡可能短的時段內(nèi)得到盡可能長時段的預(yù)測結(jié)果。模擬預(yù)報技術(shù)具有計算量大、數(shù)據(jù)通訊密集、I/O要求高等特點(diǎn)，需要計算性能強(qiáng)的高性能計算系統(tǒng)進(jìn)行并行計算。大氣和風(fēng)暴潮水體運(yùn)動的物理特征模擬適合于并行計算處理的，建立基于高性能計算的風(fēng)暴潮模擬預(yù)報平臺，通過高性能并行計算，進(jìn)一步提高計算效率，滿足風(fēng)暴潮災(zāi)害的時效性要求。

3.1平臺建設(shè)定位和基本功能

基于高性能計算的沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害預(yù)報關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)建立模擬預(yù)報平臺，可通過實時的沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害預(yù)報，預(yù)估沿海風(fēng)暴潮可能最大增水及其分布情況，模擬風(fēng)暴潮誘發(fā)的海浪災(zāi)害，結(jié)合區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，為沿海海堤海防工程體系標(biāo)準(zhǔn)的確定提供技術(shù)支撐，避免風(fēng)暴潮致災(zāi)。平臺可滿足風(fēng)暴潮預(yù)報高性能化，未來還可將風(fēng)暴潮伴生的臺風(fēng)海浪計算高性能化，全方位解決臺風(fēng)帶來的風(fēng)暴潮和巨浪的模擬預(yù)報，擴(kuò)大平臺應(yīng)用服務(wù)范圍。如圖1所示。

（1）建立沿海潮汐預(yù)報模式，主要采用準(zhǔn)調(diào)和分析進(jìn)行外海邊界潮位預(yù)報，通過潮位站對預(yù)報成果進(jìn)行校核和修正。

（2）建立沿海臺風(fēng)預(yù)報模式，通過預(yù)報-修正模式，實現(xiàn)臺風(fēng)預(yù)報；根據(jù)NECP中尺度NWP模式，建立適用于地區(qū)沿海的臺風(fēng)預(yù)報模型，同時依靠局地氣象預(yù)報并結(jié)合天氣預(yù)報，進(jìn)行臺風(fēng)預(yù)報；某一時刻t0的臺風(fēng)預(yù)報在已知臺風(fēng)中心位置、速度以及氣壓的條件下，假定5至7個未來時刻t1的臺風(fēng)中心位置、5至7個t1的速度和氣壓，通過計算得到臺風(fēng)風(fēng)場和氣壓場，依據(jù)臺風(fēng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對假定臺風(fēng)位置、速度和氣壓進(jìn)行修正和逼近，直至臺風(fēng)預(yù)報基本準(zhǔn)確。

（3）建立沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害預(yù)報模式，通過預(yù)報-修正模式，實現(xiàn)風(fēng)暴潮預(yù)報；主要在潮汐預(yù)報和臺風(fēng)預(yù)報的支持下，通過已知邊界條件及初始條件，結(jié)合外海潮汐預(yù)報成果、假象臺風(fēng)風(fēng)場和氣壓場，對風(fēng)暴潮進(jìn)行海量組合計算—修正，包含某一時刻所有的臺風(fēng)假想預(yù)報組合和潮汐預(yù)報組合，逐步逼近預(yù)報時刻的風(fēng)暴潮。

（4）將沿海臺風(fēng)預(yù)報模式和風(fēng)暴潮災(zāi)害預(yù)報模式并行化，使其計算效率提高；采用曙光5000A系列的高性能計算機(jī)系統(tǒng)，結(jié)合并行計算技術(shù)，提高計算效率，擴(kuò)大假象風(fēng)暴潮計算組合數(shù)量，縮短計算時間，增加臺風(fēng)運(yùn)動可能性，增加預(yù)報精度。

圖1　基于高性能計算的風(fēng)暴潮模擬預(yù)報平臺架構(gòu)

3.2高性能計算技術(shù)應(yīng)用

基于模擬預(yù)報技術(shù)具有計算量大、數(shù)據(jù)通訊密集、I/O要求高等特點(diǎn)，高性能并行化遵守的基本原則為：可擴(kuò)展性、粗粒度、減少通信、優(yōu)化性能。通過并行性抽取，抽取當(dāng)前風(fēng)暴潮模擬預(yù)報的高性能特征，提出計算模型和計算評價方法；設(shè)計高效率的并行算法，將預(yù)報計算分解為可并行計算的多個子任務(wù)；進(jìn)行并行程序設(shè)計和并行性能優(yōu)化，進(jìn)行并行計算。

隨著預(yù)報精度的要求提高，模式的計算量大幅度增加，單個CPU或一般的服務(wù)站無法實現(xiàn)這些大量運(yùn)算，必須利用并行計算。同時，為滿足中尺度預(yù)報模式，各個CPU之間數(shù)據(jù)通訊密集，數(shù)量巨大，要求有高性能的通訊網(wǎng)絡(luò)。另一方面，預(yù)報系統(tǒng)要求定時定點(diǎn)運(yùn)行計算，實時性強(qiáng)，在處理流程上，包括資料下載、數(shù)據(jù)同化和圖形化處理生成，計算性能要求高。風(fēng)暴潮模擬預(yù)報平臺依托在廣東省高性能計算重點(diǎn)實驗室，搭建在曙光系列高性能計算機(jī)系統(tǒng)上，采用Cluster和MPP結(jié)合的全新的HPP（Hyper Parallel Processing）體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計為計算網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和管理網(wǎng)三網(wǎng)分離的網(wǎng)絡(luò)模式，充分發(fā)揮刀片集群計算性能高、并行擴(kuò)展性好的優(yōu)勢。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2所示。

圖2　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

基于高性能計算的風(fēng)暴潮模擬預(yù)報平臺關(guān)鍵技術(shù)含臺風(fēng)預(yù)報技術(shù)、風(fēng)暴潮預(yù)報技術(shù)以及高性能計算技術(shù)三個方面。

（1）建立基于高性能計算的沿海臺風(fēng)預(yù)報模式：采用高性能并行計算的高效且高速的地區(qū)沿海臺風(fēng)預(yù)報數(shù)值模式，結(jié)合美國NECP中尺度NWP模式，建立適用于地區(qū)沿海的臺風(fēng)預(yù)報模型，臺風(fēng)預(yù)報則通過“預(yù)估臺風(fēng)路線—計算臺風(fēng)風(fēng)場和氣壓場—修正臺風(fēng)路線—計算臺風(fēng)風(fēng)場和氣壓場”，不斷耦合計算實現(xiàn)臺風(fēng)預(yù)報。

（2）風(fēng)暴潮預(yù)報技術(shù)主要以精度較高的有限體積法、對岸線模擬精度較高的三角網(wǎng)格、對臺風(fēng)應(yīng)力較敏感的三維風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，在臺風(fēng)預(yù)報技術(shù)的支持下，開展風(fēng)暴潮預(yù)報。

（3）基于高性能計算技術(shù)，對多核并行計算的效率進(jìn)行試驗，找出最佳的并行計算效率。建立基于高性能計算的沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害預(yù)報數(shù)值模型，采用高性能并行計算的高效且高速的沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害預(yù)報數(shù)值模式。

圖3　臺風(fēng)路徑及臺風(fēng)中心氣壓和風(fēng)速變化情況

圖4　某地區(qū)沿海風(fēng)暴潮預(yù)報模型網(wǎng)格

4　結(jié)語

基于高性能計算方法，開展地區(qū)沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害預(yù)報關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)工作，提高風(fēng)暴潮預(yù)報效率。一方面可以在臺風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型的支持下，結(jié)合臺風(fēng)預(yù)報、潮汐預(yù)報與高效的高性能計算，開展沿海區(qū)域的臺風(fēng)暴潮預(yù)報關(guān)鍵技術(shù)研究，可為風(fēng)暴潮災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)工作提供技術(shù)支撐；另一方面，通過高性能計算技術(shù)的應(yīng)用，大幅提升預(yù)報的時效和準(zhǔn)確度。為風(fēng)暴潮災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)工作提供精確的災(zāi)害信息，為及時和準(zhǔn)確地部署救災(zāi)工作提供技術(shù)支持，避免和減少人、財、物等三個方面的損失。

［1］陳樹敏，羅俊博，陳青.并行計算技術(shù)的幾種實現(xiàn)方式研究.計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2015（9），174-177

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Storm Surge；Simulation and Forecast；High-Performance Computing；Computational Efficiency

Research on the Technology of Storm Surge Simulation and Forecast Platform Based on High-Performance Computing

LUO Jun-bo1，2，F(xiàn)ANG Shao-liang1，2，LIU Cheng3
（1.Guangdong Science&Technology Infrastructure Center，Guangzhou 510033；2.Guangdong Provincial Key Laboratory of High Performance Computing，Guangzhou 510033；3.Pearl River Water Resources Institute，Pearl River Water Resource Commission，Guangzhou 510640）

1007-1423（2016）22-0013-05DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.22.003

羅俊博（1981-），女，湖北荊門人，碩士，工程師、項目管理師，研究方向為信息化技術(shù)研究、項目管理、績效評估

方少亮（1984-），男，廣東惠來人，碩士，高級工程師，研究方向為高性能計算、云計算、信息化技術(shù)

劉誠（1975-），男，湖北潛江人，博士，高級工程師，研究方向為河口海岸及近海動力過程

2016-07-12

2016-07-30

風(fēng)暴潮是我國主要海洋災(zāi)之一，每年造成直接經(jīng)濟(jì)損失最為嚴(yán)重。隨著海洋預(yù)警預(yù)報工作的機(jī)制建立，對風(fēng)暴潮災(zāi)害預(yù)報的準(zhǔn)確性和時效性要求越來越高。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，并行運(yùn)行技術(shù)的廣泛應(yīng)用，基于高性能計算的風(fēng)暴潮模擬與預(yù)報技術(shù)的研究和發(fā)展，建立模擬預(yù)報平臺，通過實時的沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害預(yù)報，預(yù)估沿海風(fēng)暴潮分布情況，模擬風(fēng)暴潮誘發(fā)的海浪災(zāi)害，為災(zāi)害防御工作提供有力的支撐。

風(fēng)暴潮；模擬預(yù)報；高性能計算；計算效率

省級科技計劃項目《基于高性能計算的廣東沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害預(yù)報關(guān)鍵技術(shù)研究》（No.2013B020200008）

Storm surge is one of the major marine disasters in China，which causes the most serious economic losses.With the establishment of the mechanism of the marine early warning and forecast，the requirement of the accuracy and timeliness of the storm surge disaster is more and more high.With the development of computing technology，parallel operation technology widely used，based on high-performance computing storm surge simulation and forecast technology research and development，establishes prediction and simulation platform，through real-time coastal storm surge disaster prediction，the estimated distribution of coastal storm surges，simulation of storm surge induces wave disaster，provides a strong support for the disaster prevention work.