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我国耦合地球系统模式与耦合资料同化研究的领航者——中国海洋大学特聘教授张绍晴

2021-08-18

 

自20世纪50年代起源至今,数值天气预报是被世界各国普遍采用的一种现代天气预报手段。数值天气预报的制作过程比较复杂,需将得到的气象观测数据用物理方程解析,然后以资料信息的形式同化到计算机数值模型上,再通过一系列积分运算,最后得出未来天气的结果,从而对未来一定时段内天气状态进行预知。中国海洋大学特聘教授张绍晴长期从事物理海洋学和地球系统数值模式可预报性研究,是耦合地球系统模式和耦合资料同化研究领域的领军人物。
2016年12月,张绍晴任中国海洋大学特聘教授,他结合自身的科研优势,将地球科学领域的发展及国内超算平台的创新突破集于一体,迅速打造了一支基于国产超算平台的多学科多领域交叉融合发展的新型创新团队,团队涵盖物理学、数学、计算机科学、海洋大气等多领域的科研技术人才。该团队围绕耦合地球系统模式和耦合资料同化、地球系统可预报性等方向开展科学研究,在全球高分辨率地球系统模式研发及区域耦合预报系统建设方面取得突破性进展。
 
1 区域耦合预报系统建设
“两洋一海”(西太平洋、印度洋及南海)区域是“21世纪海上丝绸之路”建设的重要空间载体,同时也是国防安全的核心战略海区。提高“两洋一海”区域海洋环境的预报精度和延长预报时效对国家的经济建设和国防建设都有着重要的现实意义和战略意义。同时伴随防灾减灾需求加剧,延伸期预测的重要性已逐渐凸显,但海洋延伸期业务化预测仍是一个“盲点”。
基于此,2017年张绍晴教授牵头开展国家重点研发计划“‘两洋一海’区域超高分辨率多圈层耦合延伸期预测系统”的研究。该项目专注于时间尺度介于常规短期与气候尺度之间1030天的延伸期预测,拟解决中小尺度海气相互作用如何通过对大尺度大气海洋环流反馈,从而影响延伸期预测这一关键科学问题。项目拟突破区域超高分辨率多圈层耦合模式开发、结合动力降尺度的耦合资料同化系统研发中的关键技术,实现区域内动力环境多时空尺度、全要素和无缝隙涵盖的延伸期预测。
目前,项目已建成“两洋一海”区域超高分辨率(水平分辨率优于4 km)、多圈层(大气-陆面-海洋)、耦合延伸期(预测时效35天)的数值预测系统,系统预测精度在“两洋一海”中低纬区域已经接近国际先进水平,在中高纬度的预测精度持续提高,可达到国际先进耦合预测系统水平。其中在对台风2018—2020年连续3年的准业务化精细预报中发现,延伸期预测系统具有短期预测不能完成的台风全生命周期预测能力,尤其是在提前预报台风生成这一科学难题上有所突破(相应成果已作为封面论文发表在Advances in Atmospheric Sciences)。在2018年上海合作组织青岛峰会举办期间,依托该项目研发的系统为会议举办提供了气象环境安全保障参考。目前,该系统的各项指标趋于稳定,项目的主要成果累积已接近项目总体目标。该系统已经开始由国家海洋环境预报中心进行评估,并将于项目验收后向社会公众服务,提供预报时间长度不低于35天的台风、降雨、温度、风场、流场等环境信息。
 
2 全球高分辨率地球系统模式研发
“神威太湖之光”是我国自主设计生产的超算系统。它采用“众核异构”设计理念,芯片内部包含主核和从核两种核心架构,在大规模提升运算能力的同时,能够合理控制系统能耗,符合当今节能减排科技发展的世界潮流。
张绍晴及其团队依托中国海洋大学,结合计算领域发展潮流,联合国家超级计算无锡中心、国家超级计算济南中心、青岛海洋科学与技术试点国家实验室、国际高分辨率地球系统预测实验室(iHESP)等多家单位的学者,实现了高分辨率(10km海洋+25km大气)通用地球系统模式在“神威太湖之光”机器上的算法改造和优化,并完成近千年的稳定积分和结果科学验证。这标志着我国新型的国产众核超算已完全具备与传统“多核同构”相同的大规模科学计算能力。形成的创新成果已发表在Geoscientific Model DevelopmentJournal of Advances in Modeling Earth Systems等国际期刊。为进一步改进全球地球系统模式,张绍晴等提出了基于多个海浪模式同化系统的模式偏差订正方案,并用全球耦合模式系统性地研究了模式偏差对大西洋经向翻转流(AMOC)的影响,凸显了平衡协调的海洋层结对于AMOC重建的关键作用,这对于气候预测尤其是年代际预测的初始化具有重要的指导意义。
 
3 结语
4年来,张绍晴运用自己开创的耦合资料同化及参数估计的理论和技术,带领研究团队正在为我国建立起一套无缝隙的天气-气候数值预报系统,同时助力推动海洋和气候科学持续发展的地球系统模式平台建设,以期更有效地为国家经济建设和国防建设服务。