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海洋环境工程

海洋经济的发展依托于海洋自然环境的变化,精确预报海洋灾害的发生、发展和应该采取何种防灾减灾工程措施,已经成为普遍关注的环境问题。同时,大规模的工程建设和海洋环境之间的相互作用也是开发海洋中应引起关注的重要问题。这些都需要利用高性能计算机系统,研究突破海洋环境模拟、海洋灾害预报等关键技术,为我国海洋资源开发以及海洋环境保护提供技术保障。

在海洋环境工程领域,天津中心与国家海洋局、天津科技大学海洋学院、中国海洋大学、北京师范大学全球变化研究所、香港理工大学、加拿大海洋研究所等展开了合作。

高分辨率海洋环流模式LICOM研究

“天河一号”支撑全球气候变化千年模拟和中国提交IPCC世界气候大会报告,完成了近百年的全球高精度气候变化模拟,为气象领域科研、业务部门提供稳定的应用平台,开展准实时、高精度全国和区域气象模式开发及区域数值预报业务。

中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(IAP/LASG)自主研发的全球10km涡分辨海洋模式LICOM成功地移植到天津超算中心的“天河一号”超级计算机上,开展了上万核大规模计算。它是我国第一次利用自行研发的涡分辨率海洋模式完成的长期数值模拟试验,计算结果有效地刻画了中尺度涡旋的基本特征。

图 全球每日平均海面温度变化

模式能够很好地重现观测的中尺度涡旋的气候特征,可以很好地模拟黑潮与中国近海环流的关系,以及中国近海地水团性质。实现了最高水平分辨率为10km,垂直有55层的50年的模拟分析。

中国海洋流体动力学数值模拟

中国海洋环流及其变异规律对中国海洋环境、资源、局地气候和生态演变等至关重要。由香港科技大学物理海洋研究小组开发的中国海模拟系统,相比以往的现场观测,海洋流体动力学数值模型为海洋环境的管理、研究和预报提供了有力先进的工具。

通过基于“天河一号”计算平台,分析了多年及气候态数值模拟研究结果,对整个中国海以及南海海盆,东海沿岸流,广东陆架边缘海,以及中国近海黑潮的环流机制进行综合探究。同时通过数值模拟的生物化学模块揭示了物理输送混合机理以及与其相关的生物与化学循环过程以及响应机制。

图 中国海表层海温变化图

中国北部海河流域对气候变化的水文响应

目前,预测全球气候最主要的工具是全球气候模式,而天气预报模式(WRF)是研究区域气候变化的中尺度模式,可提高模型分辨率,从而进行大面积区域性的研究。

通过该模式研究,解决未来气候变化尤其是全球变暖对水资源的影响问题,包括水循环过程、降水极端事件等,解决人类的生存和发展问题。

新加坡国立大学、天津龙网科技公司以及天津大学,利用“天河一号”计算平台,采用高分辨率的WRF模式从当前30年与未来30年的集成预测出了海河流域的气候变化及其水文响应。图6为2071年-2100年时段相对于1961年-1990年时段的气候响应结果。

图 2071年至2100年时段相对于1961年至1990年时段的气候响应结果

(左图)降雨; (右图)温度.

全球高分辨率海浪模式MANSUM研究

国家海洋局开发了全球高分辨率海浪模式MANSUM,使用“天河一号”开展了分辨率为0.1°,物理空间网格数目为3600x1561,计算规模达19456核的数值模拟,计算加速比最高达20倍。该海浪模式已广泛应用于海洋工程及气候模式中,为未来发展高分辨率大气-海浪-海洋环流耦合模式奠定了重要基础。

 

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