基于高性能计算的风暴潮模拟预报平台技术研究

罗俊博，方少亮，刘诚

（1.广东省科技基础条件平台中心，广州　510033；2.广东省高性能计算重点实验室，广州　510033 3.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广州　510033）

基于高性能计算的风暴潮模拟预报平台技术研究

罗俊博1，2，方少亮1，2，刘诚3

（1.广东省科技基础条件平台中心，广州510033；2.广东省高性能计算重点实验室，广州510033 3.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广州510033）

0　引言

地球表面积的70%为海洋覆盖，中国沿海是全球少数几个风暴潮风险最大的区域之一，海洋灾害对我国沿海经济社会发展和海洋生态环境造成了诸多不利影响。我国海洋灾害主要包括风暴潮、海浪、海冰、赤潮、绿潮、海平面变化、海岸侵蚀、海水入侵及土壤盐渍化、咸潮入侵等，其中风暴潮是主要海洋灾害。随着全球气候的变化，我国还存在发生海啸巨灾的潜在风险。据《2015年中国海洋灾害公报》显示：“2015年，我国海洋灾情总体偏轻，各类海洋灾害共造成直接经济损失72.74亿元，死亡（含失踪）30人。其中，造成直接经济损失最严重的是风暴潮灾害，占总直接经济损失的99.8%。”广东面向南海，毗邻港澳，是我国大陆与东南亚、中东以及大洋洲、非洲、欧洲各国海上航线最近的地区，广东省作为经济发展快速、社会经济总量较高、居住密度较大的区域，是我国参与经济全球化的主体区域和对外开放的重要窗口，也是在海洋灾害直接经济损失最严重的省份之一。建国以来，影响广东省沿海地区的台风每年平均约6个左右，对广东省沿海地区造成较大影响的台风每年平均3.8个，其中2015年，因灾直接经济损失28.77亿元。随着海洋观测领域的拓宽，观测站点的大面积建设，海洋灾害预警预报工作有序开展，海洋灾害的动态发布，为灾害防御工作提供了有力的支撑。但是鉴于风暴潮灾害所造成的损失巨大，风暴潮灾害预报的准确性和时效性要求越来越高，快速处理采集到的数据，达到在尽可能短的时段内模拟得到尽可能长时段的预测结果要求。随着计算技术的发展，并行运行技术的广泛应用，结合气和风暴潮水体运动的物理特征，基于高性能计算的风暴潮模拟与预报技术开始研究和发展，提高计算效率，满足风暴潮灾害的时效性要求。

1　风暴潮预报技术发展

风暴潮是我国受灾严重的自然灾害之一，风暴潮预报技术研究意义重大，根据风暴潮的预报，模拟即将发生的风暴潮，可以预测灾害的强度、发展过程，做好预防和减轻灾害准备工作。目前，国际上已开展台风风暴潮相关研究很多年，形成一定的研究成果。我国的研究起步较晚，在研究国外的技术基础上，形成符合我国特点的风暴潮预报技术，但主要偏重于风暴潮模拟。

国外科研人员结合本土海岸带特点进行研究，形成台风风暴潮的计算模型。自八十年代中期，荷兰开始用DCSM（Dutch Continental Shelf Model）模式预报风暴潮，其气象强迫场由HiSLAM（High-Solution Limited Area Model）气象模式的预报结果提供，当计算水位超过预定的预警阈值时，会发送通知到风暴潮预警部门，通过预警部门的工作经验和数值相结合，发布一个或多个预警水位（针对不同海域不同的预警水位）。美国自1972年引入SPLASH风暴潮模式，并于1992年升级成SLOSH，这个二维流体动力学数值模式成为美国的国家风暴潮预报模式，在世界上其他国家的应用也最为广泛。

在我国，秦曾灏和冯士筰于1975年采用零阶模型和一阶模型模拟风暴潮。孙文心等1975年通过构造风场，利用零阶模型来模拟渤海风暴潮，1980年孙文心开始采用实际风场模拟渤海风暴潮。王喜年等于1991年建立二维台风风暴潮动力数值模式模拟中国海台风风暴潮。1992年至1995年，孙文心等人组建的团队建立了我国第二代风暴潮模拟模式，提高了模拟精度。近年来，于福江和张占海于2002年建立了一个覆盖东海的两重嵌套网格高分辨率的台风暴潮数数值预算模式。刘娟于2004年建立了汕头地区的多层嵌套风暴潮数学模型。莎日娜和尹宝树于2007年采用POM模式建立了天津近岸海域三维东边界风暴潮漫滩模型。闫丽凤等于2008年利用GRAPES模式对“0703”号强风暴潮进行模拟。夏波等于2008年基于有限元方法采用三角网格建立一个高分辨率的潮汐风暴潮数学模型。高钦钦等人于2012年应用非结构网格的海洋数值模式FVCOM建立了福建沿海、珠江口和海南风暴潮模拟模式。

2　高性能计算在灾害预报领域的应用研究

随着计算机技术的发展，为灾害预报技术提供了有利的支撑。但是在实际工作需求中需要通过延长风暴潮预报的时效，来减轻风暴潮灾害的损失。但是在延长预报时效的同时，预报的准确度将受到影响；而提高预报准确性就要缩减预报的时效，同时还需要依赖风场、气场等采集的数据资料。随着并行计算技术的发展，在高性能计算系统上将一个应用分解为多个子任务，分配给不同的处理器处理，各个处理器之间相互协同，并行地执行子任务，实现加快求解任务或提高求解应用问题规模，应用在气象预报时，同时计算多个模型，保证预报的实时性。高性能计算已应用到“南海区域实时海气数值预报试验平台”上，实现对南海及周边区域的大气状况进行预报，已多次准确预报了台风、风暴等自然海洋灾害，如超强台风“凡亚比”、“鮎鱼”的强度、移动路径等，为国家和南海沿海居民降低了经济损失和人员伤亡。

3　基于高性能计算的风暴潮模拟预报平台技术研究

鉴于风暴潮灾害所造成的损失巨大，风暴潮灾害预报的社会需求巨大。风暴潮预报的时效性要求很高，需要在尽可能短的时段内得到尽可能长时段的预测结果。模拟预报技术具有计算量大、数据通讯密集、I/O要求高等特点，需要计算性能强的高性能计算系统进行并行计算。大气和风暴潮水体运动的物理特征模拟适合于并行计算处理的，建立基于高性能计算的风暴潮模拟预报平台，通过高性能并行计算，进一步提高计算效率，满足风暴潮灾害的时效性要求。

3.1平台建设定位和基本功能

基于高性能计算的沿海风暴潮灾害预报关键技术研发建立模拟预报平台，可通过实时的沿海风暴潮灾害预报，预估沿海风暴潮可能最大增水及其分布情况，模拟风暴潮诱发的海浪灾害，结合区域社会经济发展需求，为沿海海堤海防工程体系标准的确定提供技术支撑，避免风暴潮致灾。平台可满足风暴潮预报高性能化，未来还可将风暴潮伴生的台风海浪计算高性能化，全方位解决台风带来的风暴潮和巨浪的模拟预报，扩大平台应用服务范围。如图1所示。

（1）建立沿海潮汐预报模式，主要采用准调和分析进行外海边界潮位预报，通过潮位站对预报成果进行校核和修正。

（2）建立沿海台风预报模式，通过预报-修正模式，实现台风预报；根据NECP中尺度NWP模式，建立适用于地区沿海的台风预报模型，同时依靠局地气象预报并结合天气预报，进行台风预报；某一时刻t0的台风预报在已知台风中心位置、速度以及气压的条件下，假定5至7个未来时刻t1的台风中心位置、5至7个t1的速度和气压，通过计算得到台风风场和气压场，依据台风监测数据，对假定台风位置、速度和气压进行修正和逼近，直至台风预报基本准确。

（3）建立沿海风暴潮灾害预报模式，通过预报-修正模式，实现风暴潮预报；主要在潮汐预报和台风预报的支持下，通过已知边界条件及初始条件，结合外海潮汐预报成果、假象台风风场和气压场，对风暴潮进行海量组合计算—修正，包含某一时刻所有的台风假想预报组合和潮汐预报组合，逐步逼近预报时刻的风暴潮。

（4）将沿海台风预报模式和风暴潮灾害预报模式并行化，使其计算效率提高；采用曙光5000A系列的高性能计算机系统，结合并行计算技术，提高计算效率，扩大假象风暴潮计算组合数量，缩短计算时间，增加台风运动可能性，增加预报精度。

图1　基于高性能计算的风暴潮模拟预报平台架构

3.2高性能计算技术应用

基于模拟预报技术具有计算量大、数据通讯密集、I/O要求高等特点，高性能并行化遵守的基本原则为：可扩展性、粗粒度、减少通信、优化性能。通过并行性抽取，抽取当前风暴潮模拟预报的高性能特征，提出计算模型和计算评价方法；设计高效率的并行算法，将预报计算分解为可并行计算的多个子任务；进行并行程序设计和并行性能优化，进行并行计算。

随着预报精度的要求提高，模式的计算量大幅度增加，单个CPU或一般的服务站无法实现这些大量运算，必须利用并行计算。同时，为满足中尺度预报模式，各个CPU之间数据通讯密集，数量巨大，要求有高性能的通讯网络。另一方面，预报系统要求定时定点运行计算，实时性强，在处理流程上，包括资料下载、数据同化和图形化处理生成，计算性能要求高。风暴潮模拟预报平台依托在广东省高性能计算重点实验室，搭建在曙光系列高性能计算机系统上，采用Cluster和MPP结合的全新的HPP（Hyper Parallel Processing）体系结构，设计为计算网、数据网和管理网三网分离的网络模式，充分发挥刀片集群计算性能高、并行扩展性好的优势。网络拓扑结构图2所示。

图2　网络拓扑结构图

基于高性能计算的风暴潮模拟预报平台关键技术含台风预报技术、风暴潮预报技术以及高性能计算技术三个方面。

（1）建立基于高性能计算的沿海台风预报模式：采用高性能并行计算的高效且高速的地区沿海台风预报数值模式，结合美国NECP中尺度NWP模式，建立适用于地区沿海的台风预报模型，台风预报则通过“预估台风路线—计算台风风场和气压场—修正台风路线—计算台风风场和气压场”，不断耦合计算实现台风预报。

（2）风暴潮预报技术主要以精度较高的有限体积法、对岸线模拟精度较高的三角网格、对台风应力较敏感的三维风暴潮数学模型为基础，在台风预报技术的支持下，开展风暴潮预报。

（3）基于高性能计算技术，对多核并行计算的效率进行试验，找出最佳的并行计算效率。建立基于高性能计算的沿海风暴潮灾害预报数值模型，采用高性能并行计算的高效且高速的沿海风暴潮灾害预报数值模式。

图3　台风路径及台风中心气压和风速变化情况

图4　某地区沿海风暴潮预报模型网格

4　结语

基于高性能计算方法，开展地区沿海风暴潮灾害预报关键技术研发工作，提高风暴潮预报效率。一方面可以在台风暴潮数学模型的支持下，结合台风预报、潮汐预报与高效的高性能计算，开展沿海区域的台风暴潮预报关键技术研究，可为风暴潮灾害的防灾减灾工作提供技术支撑；另一方面，通过高性能计算技术的应用，大幅提升预报的时效和准确度。为风暴潮灾害的防灾减灾工作提供精确的灾害信息，为及时和准确地部署救灾工作提供技术支持，避免和减少人、财、物等三个方面的损失。

［1］陈树敏，罗俊博，陈青.并行计算技术的几种实现方式研究.计算机技术与发展，2015（9），174-177

［2］李鑫，章卫胜，张金善，孔俊.一次典型寒潮风暴潮过程的数值模拟研究.海洋科学进展，2010（01）

［3］刘吉.珠江河口地区大气2～3天波的诊断分析及数值模拟.人民珠江，2012（5）

［4］刘诚.A Three Dimensional k-ε-Ap Model for Water-Sediment Movement，International Journal of Sediment Research，2010（1）

［5］刘诚.Wave，Tide and Sediment Transport Modeling in the Nandujiang Estuary，Hainan，China，Sedimentation and Sustainable Use of River Systems，2010（9）

［6］侯森，谈满堂，罗兴国.高性能计算中应用驱动的多DSP处理器阵列研究.计算机应用研究，2011（04）

［7］沈红，安东升，韩晓静.云计算在气象水文业务中的应用［J］.气象水文海洋仪器，2011（04）

［8］徐龙，武殿梁，程奂翀，范秀敏.高性能计算数据远程交互可视化系统研究［J］.计算机工程与设计，2011（09）

［9］李阔，李国胜.风暴潮风险研究进展.《自然灾害学报》，2011（6）：104-111

［10］孙文心，秦曾灏，冯士筰.超浅海风暴潮的数值模拟（Ⅰ）——渤海风潮的一阶模型.《中国海洋大学学报：自然科学版》，1980（2）：7-19

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，FANG 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

罗俊博（1981-），女，湖北荆门人，硕士，工程师、项目管理师，研究方向为信息化技术研究、项目管理、绩效评估

方少亮（1984-），男，广东惠来人，硕士，高级工程师，研究方向为高性能计算、云计算、信息化技术

刘诚（1975-），男，湖北潜江人，博士，高级工程师，研究方向为河口海岸及近海动力过程

2016-07-12

2016-07-30

风暴潮是我国主要海洋灾之一，每年造成直接经济损失最为严重。随着海洋预警预报工作的机制建立，对风暴潮灾害预报的准确性和时效性要求越来越高。随着计算技术的发展，并行运行技术的广泛应用，基于高性能计算的风暴潮模拟与预报技术的研究和发展，建立模拟预报平台，通过实时的沿海风暴潮灾害预报，预估沿海风暴潮分布情况，模拟风暴潮诱发的海浪灾害，为灾害防御工作提供有力的支撑。

风暴潮；模拟预报；高性能计算；计算效率

省级科技计划项目《基于高性能计算的广东沿海风暴潮灾害预报关键技术研究》（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.