海岸工程
《海洋科学进展》2019年第2期推荐阅读:海量数据驱动下的高分辨率海洋数值模式发展与展望

 

海量数据驱动下的高分辨率海洋数值模式发展与展望

宋振亚1,2,刘卫国2,3,刘鑫4,苏天赟1,2,刘海行1,2,尹训强1,2

(1.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛 266061

2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛 266590;

3. 山东大学 软件学院,山东 济南 250101

4. 无锡江南计算技术研究所,江苏 无锡 214083)

论文简介:

海洋数值模式是定量描述海洋现象及其变化的数值模型,通过求解复杂的纳维斯托克斯方程对海洋系统进行建模和模拟。它将连续的海洋流体运动离散化,将地球空间划分为经向、纬向和垂向的三维网格结构,进而采用数值积分方式对偏微分方程组进行求解。

海洋数值模式不仅可以应用于海洋科学本身的研究,同时还广泛地应用于气候与环境变化的模拟和预测研究,并为海洋资源开发和国防安全等重大国家需求提供技术支撑,其发展水平是综合评估一个国家在海洋与气候整体研究能力的重要指标。半个多世纪以来,随着人们对海洋认识和理解的深入,以及计算机技术的快速发展,海洋数值模式得到了极大发展,已成为理解海洋变化过程、预测预估未来的核心工具。正因如此,海洋数值模式受到越来越多的关注,其研制与应用已经成为地球科学研究的重要方向之一。

宋振亚研究员等学者持续跟踪并开展这一领域的研究。本期他们撰文从海洋数值模式、高性能计算以及深度学习的交叉融合的角度论述海量数据驱动下的高分辨率海洋数值模式的发展,以期为广大科研工作者、海洋及相关其他从业者提供较系统的参考。

 

 

封面图片:

封面图片为自然资源部第一海洋研究所研发的新一代全球10 km高分辨率浪潮流耦合模式FIO-COM模拟的海流结果,以及海洋科学与机器学习深度交叉融合实现途径的框架示意图。随着科学与技术的发展以及各种观测、模拟手段的突破,数据种类不断增加、数据质量不断提高,海洋科学正在迈入“大数据”时代,其研究也已经从实验归纳、模型推演和仿真模拟进入到以数据驱动科学发展为特征的第四范式。如何从这些数据中获取有效信息、加深对海洋和地球系统的认识、最终提高预报预测能力是一个新的挑战.尽管目前数据驱动的机器学习还不会替代海洋数值模式,只是起到补充和丰富的作用.但从机器学习的应用和海洋数值模式发展来看,海量数据驱动下的海洋科学与机器学习深度融合是未来的趋势。详见本期综述《海量数据驱动下的高分辨率海洋数值模式发展与展望》,图片由作者提供。

 

作者简介:

宋振亚,男,1982-06出生,物理海洋学博士,自然资源部第一海洋研究所研究员。2015年获得海洋领域优秀科技青年称号和“清华大学-浪潮集团”计算地球青年人才奖,2016年获得自然资源部首批束星北青年学者称号,2017年入选青岛海洋科学与技术试点国家实验室“鳌山人才”培养计划优秀青年学者。主要从事海洋与气候数值模拟及高性能计算、气候变化等方面的研究工作,建立了两代包含海浪的地球系统模式FIO-ESM。已主持和完成多项国家和省部级课题,目前主持国家自然科学基金委-山东省联合基金重点项目1项、重点研发计划课题1项等。已发表学术论文60余篇,其中SCI论文30余篇。

 

论文摘要:

海洋数值模式是定量描述海洋现象及其变化的数值模型,通过求解复杂的纳维斯托克斯方程对海洋系统进行建模和模拟。它将连续的海洋流体运动离散化,将地球空间划分为经向、纬向和垂向的三维网格结构,进而采用数值积分方式对偏微分方程组进行求解。

海洋数值模式不仅可以应用于海洋科学本身的研究,同时还广泛地应用于气候与环境变化的模拟和预测研究,并为海洋资源开发和国防安全等重大国家需求提供技术支撑,其发展水平是综合评估一个国家在海洋与气候整体研究能力的重要指标。半个多世纪以来,随着人们对海洋认识和理解的深入,以及计算机技术的快速发展,海洋数值模式得到了极大发展,已成为理解海洋变化过程、预测预估未来的核心工具。正因如此,海洋数值模式受到越来越多的关注,其研制与应用已经成为地球科学研究的重要方向之一。

宋振亚研究员等学者持续跟踪并开展这一领域的研究。本期他们撰文从海洋数值模式、高性能计算以及深度学习的交叉融合的角度论述海量数据驱动下的高分辨率海洋数值模式的发展,以期为广大科研工作者、海洋及相关其他从业者提供较系统的参考。

 

关键词:海洋数值模式;海量数据;物理参数优化;高分辨率;深度学习;高性能计算

 

专家审稿意见节选:

随着海洋科学研究的深入和用户需求的拓展,海洋数值模式向着高分辨率和多物理过程的方向发展。文章较为综合性的介绍了高分辨率海洋数值模式的发展及其在现今计算条件下所遇到的发展瓶颈,并提出和探讨了海洋科学与人工智能相结合的方法及可能性,在推动该方向的学科发展、技术开发等方面有一定的借鉴意义。

 

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《海洋科学进展》与《海岸工程》编辑部

2019-05-16

发布日期:2019-05-16浏览次数: