嶗山實驗室在國產(chǎn)超算平臺揭示出北極冰間水道的可預(yù)報性！

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近日，嶗山實驗室牟龍江研究員科研團(tuán)隊在極地高分辨率數(shù)值預(yù)報領(lǐng)域取得重要突破。相關(guān)成果以《眾核異構(gòu)超算平臺上的北極高分辨率海冰預(yù)報系統(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)實的背景下，該研究為破解極地精細(xì)化預(yù)報難題提供了可行方案。

北極海冰在動力演變中形成的冰間水道與冰脊交錯縱橫，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，隨之帶來一個長期未決的關(guān)鍵科學(xué)問題：它們是否具有可預(yù)報性？能在多大時空尺度上進(jìn)行預(yù)測？回答這一問題極度依賴公里級的高分辨率海冰-海洋數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，同時也對底層計算提出了極為苛刻的要求。

團(tuán)隊依托我國自主研發(fā)的“神威·海洋之光”超級計算機(jī)，成功實現(xiàn)了~2km高分辨率北極海冰海洋集合預(yù)報系統(tǒng)（HRSFS）的高效運(yùn)行。針對神威眾核處理器的獨(dú)特異構(gòu)特點，研究人員對數(shù)值模式和并行同化框架進(jìn)行了深度重構(gòu)，實現(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，大幅降低了跨層級數(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)隊提出了應(yīng)對海冰強(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)格驗證。實時預(yù)報實驗表明，系統(tǒng)能成功預(yù)測未來72小時大尺度冰間水道的生成與演變，48小時預(yù)報時效內(nèi)顯著優(yōu)于持續(xù)性預(yù)報，且預(yù)測的水道走向和長度的概率密度與實際觀測高度吻合。

上述研究成果表明，在當(dāng)前準(zhǔn)實時預(yù)報中，即便現(xiàn)有實時數(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，依然能實現(xiàn)對大尺度水道的有效預(yù)測。團(tuán)隊未來將繼續(xù)探索高頻同化與多源觀測融合技術(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)報與SAR、MODIS衛(wèi)星影像對比

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:嶗山實驗室。

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