海洋模式的演变

通过Conor Purcell • 19 三月 2018

今天，事情一直在发展。

海洋模拟器更接近于模拟真实海洋的准确表征，在过去的几十年中，它们的模型变得非常逼真，应用范围从天气和海浪预报，到气候和古气候研究，特别是寻找失踪飞机。

在德国基尔的GEOMAR Helmholtz海洋研究中心，Jonathan Durgadoo博士与海洋模型工作了近10年。在那段时间里，他目睹了他使用的模型越来越现实的趋势。

“现实中，我们指的是模型模拟海洋中观察到和已知的过程的能力，”他说。 “随着计算机变得越来越快，可以包含更多不同规模的海洋进程。随着我们越来越了解海洋过程，我们可以开始思考如何将它们纳入我们的模型。“

特别是近年来，海洋模型因其解决涡流的能力而变得更加现实。漩涡是由海洋中的湍流引起的中尺度涡旋特征。在过去十年左右，随着计算能力和数据存储量呈指数级增长，漩涡解析海洋模型变得越来越普遍。

Durgadoo解释说，在海洋建模中，大小很重要。 “海洋学家通常谈论空间和时间的尺度，”他说。 “在空间上，海洋中的过程发生在从毫米到数千公里的范围内，并且暂时达到几个世纪。”

中尺度这个词指的是数十至数百英里的结构。这些包括涡流的结构在海洋中发挥着许多不同的功能。例如，漩涡在某些地点捕获水团并将其运输到另一个地方，并且还可以捕获富含营养的水，这些水在局部促进生物活性。因此，为了使海洋模型在这些尺度上达到现实主义，需要表现出漩涡和其他结构。

“这并不是说没有模拟这些结构的模型是无用的，”Durgadoo补充说。 “人们必须理解和欣赏模型在其范围内的有用性。”

模型解决的问题

建模全球海洋本质上是困难的。纵观海洋模式发展的历史，从最早使用现代标准的非常基本的计算产品到现代最先进的“百万行代码”巨兽，研究人员一直在努力解决问题的分辨率，即模型运行的地理范围 - 您的网格分辨率越小，您对海洋的表示越好。

根据德国不来梅哈弗阿尔弗雷德韦格纳研究所气候动力部门从事海洋模型开发工作的谢尔盖丹尼洛夫教授的观点，主要挑战在于使模型能够再现我们在真实中观察到的水团特征和循环海洋。

“小空间和时间尺度的运动不能建模，因此参数化，”他说。 “这会产生错误，随着时间的推移可能会积累。因此，建模者试图通过提高分辨率，提高参数化的保真度或改进数值算法来减少这些。“

这种情绪在前麻省理工学院海洋学家Carl Wunsch的“现代观测物理海洋学”一书中得到了回应，作者解释说没有一个模型具有完美的解决方案。这意味着一些过程总是被省略 - 自然界不会面临的障碍。 “用户必须确定这些过程的遗漏是否重要，”Wunsch写道。 “即使有可能完美地用数字表示假设的方程，计算机代码中总会存在错误。”

搜索MH370

尽管如此，专注于海洋模式开发的科学家们在追求完美方面取得了巨大的进步。 2015年7月，当马来西亚航空公司的MH370号航班失踪的飞机（飞机机翼的一部分）出现在印度洋的留尼汪岛上时，Durgadoo博士和他的同事们有一个绝妙的想法。通过使用他们先进的海洋模型，他们推断应该有可能帮助找出飞机坠毁的位置。

“仅仅在印度洋的海滩上发现了属于MH370的碎片，这一事实表明它们在海面漂浮了数月，”他说。 “理论上，如果获得正确的信息，轨迹可以模拟，希望找到襟副翼可能的起步位置，从而揭示飞机位置。”

而这正是他们所做的。通过使用他们的模型并使用称为拉格朗日分析的方法来追踪碎片，研究人员能够估计飞机的位置。 Durgadoo在2016年的文章中描述了这个过程。 “我们的想法是，我们可以使用海洋模型来及时跟踪襟副翼，以确定飞行的坠毁位置。但海洋是一个混乱的地方;模拟单个“虚拟襟副翼”的路径在时间上落后是没有意义的。因此，在2015年7月份的月份里，我们在留尼汪岛周围放置了近500万个虚拟模型襟翼，这是我们使用的“数字强度”战略。“

他们的结果是显着的。根据Durgadoo的说法，“虽然不可能查明确切位置，但我们发现fla子的起源很可能是在西部而不是在澳大利亚的西南部。更重要的是，根据我们的分析，掠夺者从优先搜索区域开始旅程的机会不到1.3％。“

该小组使用他们的模型得出结论认为，沿着优先区域的搜寻工作极不可能成功找到飞机。事实上，今天这架飞机仍然失踪，MH370航班的命运仍然是一个谜。

[编者按：自作者写作以来，MH370的搜索已经恢复]

技术推动模型进步

对于今天的海洋模型已经达到这样的复杂程度来说，推动其发展的技术必须广泛地应用;从部署在海上的观测单元获取准确的数据，以及用于未来预测的最先进的超级计算机。

“计算机硬件方面的发展使人们可以使用更多的资源，”Danilov教授说，“这意味着我们可以明确地解决之前参数化的过程。希望涉及GPU的新计算技术 - 图形处理单元 - 将导致模型吞吐量的增加。“

“在物理方面，”他补充道，“新数据通过现代技术变得可用，有助于更好地调整或约束模型中使用的参数化。卫星测高和Argo浮标特别重要。“

但达尼洛夫指出，计算能力的进步是目前的主要驱动力。以高分辨率运行全球模型（大约一公里网格大小）已经成为可能，这意味着降低到这一水平的流程正在得到解决。

他说：“解决中尺度运动的模型将在可预见的将来成为现实。 “但是这样的模型运行仍然过于昂贵，意味着它们需要花费大量时间来运行并生成大量数据。因此，应区分原则上可行的和可用作研究工具的区别。“

事实上，他相信海洋模拟的未来可能会遵循与天气预测相似的途径，模型运行的合奏模式可以为未来海洋的多种潜在状态（不只是一种）提供感觉。

“问题在于，”他说，“即使有完美的初始数据，也有可预测性的前景，因为在一段时间之后，预测变得更加困难。海洋具有复杂的内部动态 - 这是混乱的 - 所以数值模拟的海洋将随着时间的推移而与观测结果分开。“

“更好的数值和参数化将改善海洋预测的平均状态和可变性，”他说。 “但总体计算工作量相当大。”

“所以我们模拟海洋的能力会逐步提高，但是会逐渐提高。”

（如Marine Technology Reporter的Mach 2018版）