海洋环境数值模拟在海洋工程专业研究生教育中的应用

蒋浩宇 赵恩金 程飞 牟林

摘要：在海洋强国战略的背景下，国内各高校开始增设海洋工程等涉海专业。海洋工程专业为工科专业，需要更多的实践提高技术及创新能力。笔者针对海洋工程专业研究生培养的要求和研究生教学的特点，提出利用海洋环境数值模拟技术，从实际问题入手，通过海洋环境数值模式的安装、测试、运行、修改强化研究生的专业实践技能，提高研究生用数值模拟手段解决相关问题的能力。同时，通过相应模拟结果的可视化反馈提升研究生对海洋科学、海洋工程相关问题的认识和理解，提升相关理论课程的教学效果。

关键词：海洋环境；数值模拟；海洋工程；研究生教育；教学模式

中图分类号：G643 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）05-0147-03

一、研究背景

随着“海洋强国”上升为国家战略以及“一带一路”倡议的实施，加快建设海洋强国已经明确写入了党的十九大报告。海洋强国需要海洋科学、海洋技术、海洋工程的协同发展作为支撑，这一目标对高等教育提出了严峻的挑战，努力培养适应海洋产业发展需要的创新型人才、技术型人才和应用型人才，已成为我国海洋领域高等教育的一项重大任务。在这一背景下，以浙江大学、河海大学、中国地质大学为代表的国内众多知名重点高校在近年来都逐渐成立了海洋学院，以响应时代对于培养海洋领域专门技术人才的需求[1]。

海洋工程专业的研究生是海洋领域专门技术人才的重要组成部分。作为工科专业，研究生既需要良好的专业理论基础，同时也需要较多的实践训练以提升相关的专业技能和创新能力。但海洋工程的大部分实践，尤其是现场实践具有高风险、高技术、高投入等特点。例如，一次外海水文观测所需要的船费和燃油费动辄以数十万计算，而且出海具有较大的危险性。虽然这类现场实踐的培养为研究生培养环节的必须，但让研究生在学习阶段大量实际地接触海洋工程结构物或直观地观测海洋环境对于大部分培养单位来说都是难以实现的。因此，在海洋工程专业的研究生培养阶段，大部分专业知识仍然是通过课堂讲述的方法进行传授，教学方式略显单一。尽管科技的发展将多媒体技术逐渐大量应用于课堂，借助视频和动画，研究生能够较为直观地了解海洋工程设计、建造、安装等过程以及海洋水文气象的观测过程，但这些技术仍然无法真正有效弥补当前海洋工程研究生培养中实践环节的缺失。

在海洋工程实地实践受限的情况下，如何提高海洋工程专业研究生的实践创新能力是海洋工程专业研究生教学体系的系统化问题，也是海洋工程专业研究生教学改革的重要研究内容。针对海洋工程专业研究生教学实践的这一现存问题，本文在海洋工程专业研究生培养中引入海洋环境数值模拟技术，从而加强研究生对海洋工程的实践能力，提高学生科研素质和业务能力，使我国未来海洋工程领域的人才更好地适应市场和社会发展，成为合格的海洋强国战略实施者。

二、海洋环境数值模拟技术

随着计算机技术的不断发展和广泛应用，海洋环境数值模拟技术取得了巨大的进展，许多过去需要超级计算机才能够进行模拟的风、浪、潮、流等现象逐渐也可以通过价格相对较低的高性能服务器进行模拟。作为现代工程学科“理论分析”、“数值模拟”和“虚拟实验”中的三大支点之一，海洋环境数值模拟是海洋工程技术发展的有机组成部分[2]。这一技术借助海洋模式，从海洋中基本的质量守恒、动量守恒、能量守恒出发，以离散和有限元方法对海洋中的现象进行计算，诠释海洋中的物理规律，模拟海水的运动过程。

一套完整的海洋数值模型会有数据预处理、数值计算分析和数据后处理三个组成部分。前处理为基础数据（边界条件）的搜集，例如区域海洋的水深、潮汐调和常数、海岸线、网格划分、初始场等等。计算分析的主要内容是物理方程的离散化求解过程，例如水动力模式下的三大守恒方程，通过对离散网格不同位置偏微分方程的求解，得到模拟区域流速、流向、水位、温度等信息。后处理则是对模拟得到的结果进行进一步的数据统计分析或是可视化等，以直观的方式展现海洋环境的时空结构和变异规律。

海洋工程领域较为经典的海洋环境数值模式包括大气模型WRF（Weather Research and Forecasting）、水动力模型FVCOM（Finite-Volume，primitive equation Community Ocean Model）、波浪模型SWAN（Simulating WAves Nearshore）等。以FVCOM为例，其综合了多种物理、生态、水质、工程、水动力功能模块，模式的输入基于标准化的NetCDF格式，能够实现多平台的通用兼容。数值的计算方面，模型基于Fortran 90/95标准，利用对水平三角网格控制体进行各类通量的有限体积积分，从而对模式的各控制方程进行离散求解[3]。模型在信息传递接口框架下实现并行化，可以在共享或分布式内存的多计算节点HPC（High Performance Computer）上实现模拟。这一模式因对数值处理方法的先进性和三角网格对岸线地形拟合以及可变分辨率的优势，并能使用VISIT软件进行输入输出非结构化数据的快速2D/3D可视化[4]，在河口海岸地区的海洋工程计算以及环境平衡等领域中具有较为普遍的应用[5]。

三、海洋环境数值模拟在教学中的应用

海洋环境数值模拟技术能模拟不同条件下的海洋水文状况，在海洋工程中应用广泛，通过海洋环境数值模拟在教学中的应用，可以让研究生在计算机上进行不同参数、不同条件下的实验，加深对海洋中各类现象的感知和对相关物理过程与理论的理解。其在海洋工程教学中的应用可以体现在以下四个方面：

1.加强海洋工程研究生的学习效果：学生往往对实际的海洋工程环境缺乏直观地了解，在学习中容易产生困惑。对于研究生，虽然经过本科阶段的积累，可能对相关领域产生了基本的认识，但由于很少有机会能够实际参与海洋观测，因此对相关的专业知识的理解往往依然不足。上述原因更是导致研究生们对相关内容学习的兴趣和主动性的缺乏，增加了专业课程的教学困难。通过数值模拟技术，可以通过让学生在实践中加深对相关知识点的理解[6]。特别地，利用数值模拟进行相关的数值实验有较好的反馈性，能够迅速给予学生实验阶段性成功的反馈，有助于提高研究生学习的兴趣和主动性。

2.加强海洋工程研究生的实践能力：当前国内的海洋工程研究生培养注重基础素质的培养，对教材内容中理论阐述的部分较为充分，但与工程实践结合不够充分，对于研究生实际动手能力的培养仍然存在较大的缺陷，导致研究生的理论知识和工程实践结合不够充分。通过对学生数值模拟能力的培养，全面提高研究生利用数值模式解决海洋工程中实际问题的能力，同时有效提高其代码编写、数据分析、资料处理等工科学生通用的动手实践能力，在与社会需求接轨的同时提高海洋工程专业研究生的跨学科和交叉学科的实践能力，同时有效提升本专业研究生的就业竞争力。

3.加强海洋工程研究生的创新能力：数值模拟技术是海洋工程研究的重要话题之一，也是海洋工程的科学前沿方向之一。在利用海洋环境数值模拟对研究生进行培养的过程中，可以利用搭建好的计算机工作环境，为研究生提供科研平台，并指导和组织研究生开展物理海洋学、工程海洋学、工程水文学等学科的理论验证实验、数值敏感性实验以及技术研究开发工作。同时，由于数值模拟的过程需要大量的程序编写，因此在环境的搭建过程中，本身也可以让研究生参与到不同数值模型的開发中。相关的实验和模型开发均是开放问题，能够让研究生发挥创新能力并摸索科学研究的方法与规律，进一步提升研究生的科研潜力[7]。

4.加强海洋工程研究生教学体系的完善：在利用海洋环境数值模拟技术开展研究与实践的过程中，相关的高校将完善具有海洋学特色的海洋工程专业研究生多层次实践教学体系，探索利用数值模拟提高研究生实践能力和创新能力的机制。通过最大程度上利用学校的教学、科研资源，培养出更多具有创新能力且和社会需求接轨程度高的海洋工程专业研究生。

四、总结

海洋环境数值模拟技术能够在海洋工程专业研究生教育教学的过程中发挥巨大的作用。通过对海洋环境数值模式相关的模型前处理、数据处理、代码分析、模式运行、数据的可视化等环节的实践操作，将极大地提高海洋工程专业研究生对本专业的学习兴趣、学习动力和学习效果，同时将有效提高研究生的动手能力。通过理论学习与数值模拟实践的结合，能够对复杂的海洋环境产生更为直观且深刻的认识，进而使专业中的相关基础理论能够得以应用，并将海洋工程中偏微分方程等大量抽象的问题形象化。从教师的角度讲，通过理论教学与实践指导的结合，教师可以不断改进教学、指导方法，从而提高研究生培养的质量。而从研究生的角度，通过参加海洋环境数值模拟方面的实践，将有效提高自身创新与发散思维，更好地洞见海洋工程问题中的物理含义，强化课本知识的理解，并加强对计算机的使用能力，更好地应对时代对于计算机科学人才的需求。因此，海洋环境数值模拟技术在海洋工程研究生教育教学中的广泛应用，将为我国海洋工程领域的建设和发展培养出具有实践和创新能力的技术人才，支撑当前“海洋强国”战略的有效实施。

参考文献：

[1]贺林林.港口航道与海岸工程专业桩基工程课程教学改革探索[J].科学咨询：科技.管理，2016，（32）：170-170.

[2]刘红英，刘红坤.有限元模拟技术在物理实验教学中应用实例分析[J].物理教学，2014，（8）：33-34.

[3]邹华志.河网、河口及海岸整体联解数值模式及其在珠江口咸潮上溯研究的应用[D].中国海洋大学，2010.

[4]臧士文.基于FVCOM模型的二维海上溢油数值模拟研究[D].大连理工大学，2011.

[5]朱军政，曹颖.FVCOM模型在象山港三维潮流盐度计算中的应用[J].海洋环境科学，2010，29（6）：899-903.

[6]任之光，梅红.双创背景下高校教育教学改革探索研究[J].中国高教研究，2017，（1）：86-90.

[7]李培根，许晓东，陈国松.我国本科工程教育实践教学问题与原因探析[J].高等工程教育研究，2012，（3）：13-13.