沿海地区是人类活动和贸易往来集中的区域。近年来，受海平面上升等自然环境变化影响，海啸等极端海洋灾害导致的损失持续加剧。海洋模型作为现代海洋灾害预警的“数字大脑”，基于物理方程与监测数据，通过数值计算方法，能够精准预测海啸、风暴潮等灾害的传播路径与影响范围，从而为海洋灾害的预警与防控提供有力支撑。随着社会生产和生活形态日益丰富，公众对海洋预报的精确度和时效性也提出了更高要求。
图1 2024年印度洋海啸印度尼西亚海岸灾后废墟
近20年来，处理器等计算机核心部件的持续迭代升级，服务器的性能与能效均实现显著提升。但是高分辨率海洋模式的开发、测试和优化等工作，除依赖更高性能的硬件平台外，还需要有负载压力足够大的算例，才能充分测试软件性能。当前业界较高分辨率开源算例为HYCOM+NCODA对墨西哥湾预报算例，但是分辨率仅为1/25°，并且网格系统仍为传统结构化网格。目前越来越多海洋模型开始采用非结构化网格形式，但是由于海洋模式算例的建立需要提供岸线边界、海底地形和远海开边界等多种信息，算例前处理过程复杂，尚缺乏公开的高分辨率测试算例。而已有的一些算例计算负载较小，未包含实际模拟中复杂的计算边界，难以发挥当前服务器平台的全部计算性能。
为了能够更全面地测试海洋数值模型在最新服务器平台的性能，浪潮信息研究团队选取了使用最广泛的区域海洋预报模式之一——FVCOM模型，建立了西北太平洋区域大范围高分辨率模拟算例NorthwestPacificSea-1600k。此算例包含了西北太平洋复杂地形和海洋运动过程，采用处理后的高分辨率地形和潮汐数据集作为算例输入数据，同时对局部区域进行加密，最终生成了总单元数为160万左右，近岸分辨率达(1/100)°的高分辨率算例。该算例具有以下优势：
■ 采用非结构化网格计算，解决了开源高分辨率算例从无到有的问题，在计算效率和精度方面取得平衡；
■ 计算负载高、扩展性好（500核心内并行效率80%以上）、IO需求大（总输出结果文件容量6TB），能够充分发挥当前多核服务器架构的性能；
■ 模拟区域针对西北太平洋区域建立，包含了中国全部海岸线，更接近国内用户的实际业务需求，参考价值更高。NorthwestPacificSea-1600k算例已在GitHub上开源，并且已经发布在了WRF用户论坛上，具体链接请见文末。
1.FVCOM模式介绍
海洋数值模拟研究可以追溯至20世纪初，自90年代开始使用网格化预报技术。FVCOM（Finite Volume Coastal Ocean Model）由麻省大学达特茅斯分校海洋生态动力学模式实验室的陈长胜博士和伍兹霍尔海洋学协会的罗伯特博士联合开发，集成了多种物理、水质与生态计算模块，属于区域海洋环流与生态模型。与其他模型相比，FVCOM采用非结构化三角形网格的原始方程海洋数值模式，具有边界拟合效果好、局部加密便捷、计算效率高等优势，尤其适用于岸线与海底地形复杂的区域，如图2所示。
图2 结构化网格与非结构化网格对近岸岸线拟合结果对比
2.基准算例介绍
2.1 模拟区域
NorthwestPacificSea-1600k算例模拟区域为西北太平洋地区，西至中国海岸线，东至关岛-马里亚纳海链以东，北至日本海、鄂霍次克海，南至菲律宾以南。范围为北纬4°至60°，东经100°至153°之间，如图3所示。该区域涵盖马里亚纳海沟等复杂地形，且为全球台风主要发源地之一。此区域内海底地震与海啸活动频繁，是海洋模式测试算例的理想区域。
图3 NorthwestPacificSea-1600k算例模拟区域示意图
2.2 算例数据集
FVCOM算例使用非结构化三角形网格计算，需要提供岸线、海底地形和开边界数据等信息。为构建此高分辨率算例，除网格单元尺寸足够小外，对地形和边界输入信息等数据也有较高的分辨率要求。下面将对算例使用岸线、海底高程、边界潮位驱动数据进行介绍。
岸线边界和海底地形数据分别来自GSHHG和ETOPO1（Earth TOPOgraphy）全球水深数据集。GSHHS提供了5种不同分辨率岸线边界，鉴于 FVCOM 支持干湿处理等功能，本算例采用中等分辨率岸线信息。ETOPO1整合了诸多全球和区域数据集，建立了分辨率为(1/60)°的全球陆地地形和海洋测深数据集。采用GEODAS-NG软件中Coastline Extractor和Grid Translator工具，可以对算例范围内岸线和水深数据进行裁剪，最终导出模拟区域地形数据，如图4所示。
图4 ETOPO1截取模拟区域水深分布图
海洋模式区域算例一般需要使用开边界潮汐强迫边界条件，分为调和常数驱动和水位驱动两种形式。前者通过指定开边界各节点上分潮的振幅和相位，自动计算开边界节点各个模拟时刻潮位。例如不同潮汐水位计算公式如下：
其中，
为相对静止水位高程，
,
，
分别是第i个分潮的振幅、频率和相位，
是潮汐分量总数。在西北太平洋潮汐过程中，主要潮汐分量包括M2太阴主要半日分潮（周期12.4206小时），S2太阳主要半日分潮（周期12.0小时），O1太阴赤纬全日分潮（周期25.8193小时），K1太阴-太阳赤纬全日分潮（周期23.9345小时）。开边界潮位驱动数据采用美国俄勒冈州立大学的TPXO9潮位模型提供。TPXO是一系列全球海洋正压潮汐模型，采用最小二乘法对潮汐方程进行同化处理，提供（1/30）° 的高分辨率数据集，可用于生成指定点的潮位时间序列。
2.3 网格划分
使用三角形单元的非结构化网格对模拟区域划分时，可以对复杂的中国沿海、朝鲜海峡、琉球群岛等关键区域内进行局部加密，最高分辨率达到(1/100)°，而在远海开边界上分辨率降低到(1/10)°至2°之间，从而在计算效率和精度之间取得最佳平衡。对于水深变化显著的区域，如马里亚纳海沟、日本海沟与菲律宾海沟等，还需进行局部网格加密，以避免计算发散。最终单元划分结果如图5所示。
图5 NorthwestPacificSea-1600k算例划分网格结果
3.FVCOM模拟
3.1 模拟设置
NorthwestPacificSea-1600k算例主要模拟正压潮流运动过程，在FVCOM模式编译过程中，启用编译配置文件中的以下模块
■ 双精度模块（DOUBLE_PRECISION）
■ 经纬度坐标（SPHERICAL）
■ 干湿处理（WET_DRY）
■ 并行模块（MULTIPROCESSOR）
■ 无特殊梯度限制与陆地边界条件处理（LIMITED_NO和GCN）
为避免时区转换错误，模拟时间采用2024/01/01 开始的绝对时间进行模拟，并设置模拟总时间为29天，即2024/01/01至2024/01/30。输出结果时间频率为1小时。
经过测试，在FVCOM模拟过程中，设置外模模拟时间步长5s，和干湿判断水深阈值0.02m时，仍可保证模型计算过程稳定性。在当前最新双路服务器平台，模拟计算总时间为1.14小时左右，总输出文件大小为6TB左右。
3.2 计算结果验证
使用FVCOM后处理软件Mat4FVCOM，可以对结果中潮位高度变化进行绘制，如下图6所示。可以看出在FVCOM开始计算后，计算区域内水体受开边界潮位驱动开始运动。
图6 FVCOM模拟西北太平洋潮流运动过程潮位变化图像
为了验证NorthwestPacificSea-1600k算例结果的正确性，对模拟区域内潮位模拟结果进行调和分析，并与TPXO9高分辨率模型获得调和常数（频率 
与相位 
）进行对比。为保证分析结果准确性，截取模拟结果中后20天稳定潮位变化数据，并输出西北太平洋模拟主要分潮M2，S2，O1，K1振幅和相位结果。各分潮的模拟结果与TPXO9预报结果对比如图7至图10所示。
图7 NorthwestPacificSea-1600k算例结果中M2分潮振幅与相位分布与TPXO9模型结果对比
（左：FVCOM；右：OTPS）
图8 NorthwestPacificSea-1600k算例结果中S2分潮振幅与相位分布与TPXO9模型结果对比
（左：FVCOM；右：OTPS）
图9 NorthwestPacificSea-1600k算例结果中O1分潮振幅与相位分布与TPXO9模型结果对比
（左：FVCOM；右：OTPS）
图10 NorthwestPacificSea-1600k算例结果中K1分潮振幅与相位分布与TPXO9模型结果对比
（左：FVCOM；右：OTPS）
从分潮调和参数的分布图可以看出，在大部分区域内，FVCOM模拟得到的分潮振幅与相位与TPXO9 结果基本一致，表明本算例能够准确描述西北太平洋的海洋运动过程。在近岸局部区域，由于FVCOM模拟中启用了干湿处理功能，部分单元出现水深为零的情况，因此在输出结果中存在异常值，需要进行数据清洗才可能获得符合物理实际结果。此外，在M2等分潮的振幅分布图中，部分极值区域附近的FVCOM模拟结果偏小，这与模型的数值耗散较大有关，可能需要调整网格划分、地形梯度或模拟运行周期等参数。
4.总结
本研究基于开源数据集构建了面向西北太平洋区域的高分辨率算例NorthwestPacificSea-1600k，其局部最高分辨率达（1/100）°。采用FVCOM对该算例进行测试，并将模拟结果与TPXO9预报结果进行对比，验证了本算例模拟结果的准确性。在最新双路服务器平台对此算例进行测试，总输出文件大小为6TB，完成全部模拟耗时约1.14小时。可以看出，此算例实现对服务器施加较高的计算压力的同时，能够保持FVCOM模型的稳定性和计算效率，最终实现计算精度和效率之间的平衡。该算例不仅可为FVCOM用户构建大范围潮流模拟提供参考，也可作为评估当前服务器平台海洋模型性能的基准用例。
目前，FVCOM基准算例已开源，欢迎前往以下链接下载使用。
「开源地址 」
GitHub下载地址：
https://github.com/hpc-testkit/fvcom-benchmark-hwestPacificSea-1600k/Nort
第八代服务器
