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科 研 動(dòng) 態(tài)

近日，嶗山實(shí)驗(yàn)室牟龍江研究員科研團(tuán)隊(duì)在極地高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)領(lǐng)域取得重要突破。相關(guān)成果以《眾核異構(gòu)超算平臺(tái)上的北極高分辨率海冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)》（Arctic high resolution sea-ice forecast system on a heterogeneous many-core computing platform）為題，在線發(fā)表于數(shù)值模式頂級(jí)期刊《地球系統(tǒng)模擬進(jìn)展》（Journal of Advances in Modeling Earth Systems）。在全球變暖重塑北極環(huán)境、航道商業(yè)化利用成為現(xiàn)實(shí)的背景下，該研究為破解極地精細(xì)化預(yù)報(bào)難題提供了可行方案。

北極海冰在動(dòng)力演變中形成的冰間水道與冰脊交錯(cuò)縱橫，前者如同冰上“高速公路”，后者則是阻礙航行的“天然冰墻”。然而，這些現(xiàn)象高度非線性，并具有多尺度分形特征，隨之帶來一個(gè)長期未決的關(guān)鍵科學(xué)問題：它們是否具有可預(yù)報(bào)性？能在多大時(shí)空尺度上進(jìn)行預(yù)測(cè)？回答這一問題極度依賴公里級(jí)的高分辨率海冰-海洋數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，同時(shí)也對(duì)底層計(jì)算提出了極為苛刻的要求。

團(tuán)隊(duì)依托我國自主研發(fā)的“神威·海洋之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)，成功實(shí)現(xiàn)了~2km高分辨率北極海冰海洋集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（HRSFS）的高效運(yùn)行。針對(duì)神威眾核處理器的獨(dú)特異構(gòu)特點(diǎn)，研究人員對(duì)數(shù)值模式和并行同化框架進(jìn)行了深度重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)眾核代碼自主可控。通過細(xì)粒度并行技術(shù)和局部內(nèi)存的低延遲優(yōu)勢(shì)，大幅降低了跨層級(jí)數(shù)據(jù)傳輸、同步和I/O開銷。在突破算力瓶頸的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)提出了應(yīng)對(duì)海冰強(qiáng)非線性和非高斯特征的高分辨率數(shù)據(jù)同化算法，并利用合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)格驗(yàn)證。實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)能成功預(yù)測(cè)未來72小時(shí)大尺度冰間水道的生成與演變，48小時(shí)預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)顯著優(yōu)于持續(xù)性預(yù)報(bào)，且預(yù)測(cè)的水道走向和長度的概率密度與實(shí)際觀測(cè)高度吻合。

上述研究成果表明，在當(dāng)前準(zhǔn)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)中，即便現(xiàn)有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分辨率不足以直接分辨冰間水道，依靠新型同化算法與模式物理，依然能實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺度水道的有效預(yù)測(cè)。團(tuán)隊(duì)未來將繼續(xù)探索高頻同化與多源觀測(cè)融合技術(shù)，拓展現(xiàn)有泛北極500m甚高分辨率冰海耦合模式的應(yīng)用場景，助力極區(qū)科研與航行安全保障。

圖1. HRSFS 72h預(yù)報(bào)與SAR、MODIS衛(wèi)星影像對(duì)比

引用：

Longjiang Mu, Yue Liu, Yuhu Chen, Hong Wang, Xianyao Chen, Ruizhe Song, Lin Zheng, Junting Chen, Lars Nerger, Lixin Wu. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 2026, 18, e2025MS005457. DOI: 10.1029/2025MS005457

• 信息來源:嶗山實(shí)驗(yàn)室。

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