羅俊博，方少亮，劉誠

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

基于高性能計算的風暴潮模擬預報平臺技術研究

羅俊博1，2，方少亮1，2，劉誠3

（1.廣東省科技基礎條件平臺中心，廣州510033；2.廣東省高性能計算重點實驗室，廣州510033 3.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，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)幾個風暴潮風險最大的區(qū)域之一，海洋災害對我國沿海經(jīng)濟社會發(fā)展和海洋生態(tài)環(huán)境造成了諸多不利影響。我國海洋災害主要包括風暴潮、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，其中風暴潮是主要海洋災害。隨著全球氣候的變化，我國還存在發(fā)生海嘯巨災的潛在風險。據(jù)《2015年中國海洋災害公報》顯示：“2015年，我國海洋災情總體偏輕，各類海洋災害共造成直接經(jīng)濟損失72.74億元，死亡（含失蹤）30人。其中，造成直接經(jīng)濟損失最嚴重的是風暴潮災害，占總直接經(jīng)濟損失的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)濟發(fā)展快速、社會經(jīng)濟總量較高、居住密度較大的區(qū)域，是我國參與經(jīng)濟全球化的主體區(qū)域和對外開放的重要窗口，也是在海洋災害直接經(jīng)濟損失最嚴重的省份之一。建國以來，影響廣東省沿海地區(qū)的臺風每年平均約6個左右，對廣東省沿海地區(qū)造成較大影響的臺風每年平均3.8個，其中2015年，因災直接經(jīng)濟損失28.77億元。隨著海洋觀測領域的拓寬，觀測站點的大面積建設，海洋災害預警預報工作有序開展，海洋災害的動態(tài)發(fā)布，為災害防御工作提供了有力的支撐。但是鑒于風暴潮災害所造成的損失巨大，風暴潮災害預報的準確性和時效性要求越來越高，快速處理采集到的數(shù)據(jù)，達到在盡可能短的時段內(nèi)模擬得到盡可能長時段的預測結果要求。隨著計算技術的發(fā)展，并行運行技術的廣泛應用，結合氣和風暴潮水體運動的物理特征，基于高性能計算的風暴潮模擬與預報技術開始研究和發(fā)展，提高計算效率，滿足風暴潮災害的時效性要求。

1　風暴潮預報技術發(fā)展

風暴潮是我國受災嚴重的自然災害之一，風暴潮預報技術研究意義重大，根據(jù)風暴潮的預報，模擬即將發(fā)生的風暴潮，可以預測災害的強度、發(fā)展過程，做好預防和減輕災害準備工作。目前，國際上已開展臺風風暴潮相關研究很多年，形成一定的研究成果。我國的研究起步較晚，在研究國外的技術基礎上，形成符合我國特點的風暴潮預報技術，但主要偏重于風暴潮模擬。

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

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暴潮。孫文心等1975年通過構造風場，利用零階模型來模擬渤海風暴潮，1980年孫文心開始采用實際風場模擬渤海風暴潮。王喜年等于1991年建立二維臺風風暴潮動力數(shù)值模式模擬中國海臺風風暴潮。1992年至1995年，孫文心等人組建的團隊建立了我國第二代風暴潮模擬模式，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)格高分辨率的臺風暴潮數(shù)數(shù)值預算模式。劉娟于2004年建立了汕頭地區(qū)的多層嵌套風暴潮數(shù)學模型。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暴潮漫灘模型。閆麗鳳等于2008年利用GRAPES模式對“0703”號強風暴潮進行模擬。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暴潮數(shù)學模型。高欽欽等人于2012年應用非結構網(wǎng)格的海洋數(shù)值模式FVCOM建立了福建沿海、珠江口和海南風暴潮模擬模式。

2　高性能計算在災害預報領域的應用研究

隨著計算機技術的發(fā)展，為災害預報技術提供了有利的支撐。但是在實際工作需求中需要通過延長風暴潮預報的時效，來減輕風暴潮災害的損失。但是在延長預報時效的同時，預報的準確度將受到影響；而提高預報準確性就要縮減預報的時效，同時還需要依賴風場、氣場等采集的數(shù)據(jù)資料。隨著并行計算技術的發(fā)展，在高性能計算系統(tǒng)上將一個應用分解為多個子任務，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，實現(xiàn)加快求解任務或提高求解應用問題規(guī)模，應用在氣象預報時，同時計算多個模型，保證預報的實時性。高性能計算已應用到“南海區(qū)域實時海氣數(shù)值預報試驗平臺”上，實現(xiàn)對南海及周邊區(qū)域的大氣狀況進行預報，已多次準確預報了臺風、風暴等自然海洋災害，如超強臺風“凡亞比”、“鮎魚”的強度、移動路徑等，為國家和南海沿海居民降低了經(jīng)濟損失和人員傷亡。

3　基于高性能計算的風暴潮模擬預報平臺技術研究

鑒于風暴潮災害所造成的損失巨大，風暴潮災害預報的社會需求巨大。風暴潮預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測結果。模擬預報技術具有計算量大、數(shù)據(jù)通訊密集、I/O要求高等特點，需要計算性能強的高性能計算系統(tǒng)進行并行計算。大氣和風暴潮水體運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暴潮模擬預報平臺，通過高性能并行計算，進一步提高計算效率，滿足風暴潮災害的時效性要求。

3.1平臺建設定位和基本功能

基于高性能計算的沿海風暴潮災害預報關鍵技術研發(fā)建立模擬預報平臺，可通過實時的沿海風暴潮災害預報，預估沿海風暴潮可能最大增水及其分布情況，模擬風暴潮誘發(fā)的海浪災害，結合區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展需求，為沿海海堤海防工程體系標準的確定提供技術支撐，避免風暴潮致災。平臺可滿足風暴潮預報高性能化，未來還可將風暴潮伴生的臺風海浪計算高性能化，全方位解決臺風帶來的風暴潮和巨浪的模擬預報，擴大平臺應用服務范圍。如圖1所示。

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

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

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

（4）將沿海臺風預報模式和風暴潮災害預報模式并行化，使其計算效率提高；采用曙光5000A系列的高性能計算機系統(tǒng)，結合并行計算技術，提高計算效率，擴大假象風暴潮計算組合數(shù)量，縮短計算時間，增加臺風運動可能性，增加預報精度。

圖1　基于高性能計算的風暴潮模擬預報平臺架構

3.2高性能計算技術應用

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

隨著預報精度的要求提高，模式的計算量大幅度增加，單個CPU或一般的服務站無法實現(xiàn)這些大量運算，必須利用并行計算。同時，為滿足中尺度預報模式，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。另一方面，預報系統(tǒng)要求定時定點運行計算，實時性強，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。風暴潮模擬預報平臺依托在廣東省高性能計算重點實驗室，搭建在曙光系列高性能計算機系統(tǒng)上，采用Cluster和MPP結合的全新的HPP（Hyper Parallel Processing）體系結構，設計為計算網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和管理網(wǎng)三網(wǎng)分離的網(wǎng)絡模式，充分發(fā)揮刀片集群計算性能高、并行擴展性好的優(yōu)勢。網(wǎng)絡拓撲結構圖2所示。

圖2　網(wǎng)絡拓撲結構圖

基于高性能計算的風暴潮模擬預報平臺關鍵技術含臺風預報技術、風暴潮預報技術以及高性能計算技術三個方面。

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

（2）風暴潮預報技術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、對臺風應力較敏感的三維風暴潮數(shù)學模型為基礎，在臺風預報技術的支持下，開展風暴潮預報。

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

圖3　臺風路徑及臺風中心氣壓和風速變化情況

圖4　某地區(qū)沿海風暴潮預報模型網(wǎng)格

4　結語

基于高性能計算方法，開展地區(qū)沿海風暴潮災害預報關鍵技術研發(fā)工作，提高風暴潮預報效率。一方面可以在臺風暴潮數(shù)學模型的支持下，結合臺風預報、潮汐預報與高效的高性能計算，開展沿海區(qū)域的臺風暴潮預報關鍵技術研究，可為風暴潮災害的防災減災工作提供技術支撐；另一方面，通過高性能計算技術的應用，大幅提升預報的時效和準確度。為風暴潮災害的防災減災工作提供精確的災害信息，為及時和準確地部署救災工作提供技術支持，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.并行計算技術的幾種實現(xiàn)方式研究.計算機技術與發(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

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

風暴潮是我國主要海洋災之一，每年造成直接經(jīng)濟損失最為嚴重。隨著海洋預警預報工作的機制建立，對風暴潮災害預報的準確性和時效性要求越來越高。隨著計算技術的發(fā)展，并行運行技術的廣泛應用，基于高性能計算的風暴潮模擬與預報技術的研究和發(fā)展，建立模擬預報平臺，通過實時的沿海風暴潮災害預報，預估沿海風暴潮分布情況，模擬風暴潮誘發(fā)的海浪災害，為災害防御工作提供有力的支撐。

風暴潮；模擬預報；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暴潮災害預報關鍵技術研究》（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.