徐世明课题组研发自适应加密和灵活建模的新型海洋模式OMARE

高分辨率海洋-海冰模式是开展气候变化研究和海洋环境安全保障的核心工具。通过提高分辨率，模式可以有效解析海洋动力和热力的精细化过程，并降低参数化方案所带来的不确定性。目前，国际上最先进的全球海洋模式分辨率可达1～2公里，能够有效解析部分海洋次中尺度过程。然而，由于海洋过程的多尺度特征，数值模式面临解析更精细过程、有效分辨率受限、次网格闭合方案发展等突出挑战。此外，高分辨率模式通常要求极高的计算量和模拟时间，这也严重限制了其在气候研究和业务中的适用性。

针对海洋环流模式发展的国际前沿，清华大学地学系徐世明副教授课题组联合国内多家单位，开发了国际上具有自适应加密和灵活建模功能的海洋环流模式OMARE（Ocean Modeling with Adaptive REsolution）。研究主要基于正斜压显式分裂格式的NEMO海洋模式动力框架和JASMIN高性能科学软件中间件，建构了OMARE模式，达到了提升模式功能、开展海洋灵活建模、提高计算效率等多重设计目标。OMARE采用C++和FORTRAN混合编程框架，发展了二进制一致、逐步调试等模式开发规范，新开发的代码总量达到13万行以上。

OMARE模式主要面向0.5度（50公里）、0.1度（10公里）、0.02度（2公里）以及0.004度（400米）四种分辨率（空间加密比例均为1:5），分别面向气候模拟、海洋中尺度解析、部分解析次中尺度以及解析大部分次中尺度过程。

图1. 冬季0.02度全场加密（a）和自适应加密（b与c）试验海表罗斯贝数以及同期0.1度试验结果（d）。

如图1所示，从0.1度向0.02度动态加密（加密准则基于海表流速和相对涡度）的典型冬季海表罗斯贝数（Ro=zeta/f），可见0.02度动态加密可以准确把握西边界流及主要中尺度系统等动态过程，并能模拟全场0.02度试验在这些区域内的次中尺度过程（|Ro|>1）。基于0.02度向0.004度动态加密（流速）则可进一步解析次中尺度的涡丝、锋面等精细结构（图2）。动态加密实验具有良好且合理的计算速度（图3）。通过局部加密，在保证关键区域和关键过程精细化模拟的同时，等比例降低整体计算规模，有效提升了高分辨率模式的模拟速度。未来OMARE模式进将一步聚焦数值格式和加密方案的改进，小尺度海洋过程的大尺度影响，海洋能量循环和串级，极地海洋海冰模拟等关键发展方向开展研究。

图2. 基于流速判据的0.004度自适应加密试验海表相对涡度（a）以及中尺度涡（b，区域I）和西边界流主轴（c，区域II）加密区域细部。

图3. 基于Intel高性能集群的局部加密（虚线）和全场试验（实线）的计算性能和可扩展性分析。

相关成果以“Ocean Modeling with Adaptive REsolution (OMARE, version 1.0) Refactoring NEMO model (version 4.0.1) with the parallel computing framework of JASMIN. Part 1: adaptive grid refinement in an idealized double-gyre case”为题，发表于Geoscientific Model Development杂志。实验室博士生张岩（第一作者）、王轩同（第二作者）和宁宸辉（第四作者）同为OMARE模式的主要开发成员，徐世明副教授和北京应用物理与计算数学研究所的安恒斌研究员为文章的共同通讯作者，清华大学地球系统数值模拟教育部重点实验室卓越访问教授王斌指导了相关工作。文章合作作者还包括北京航空航天大学和中科院大气物理研究所等单位的研究人员。本项工作得到了科技部重点研发计划“全球变化及应对”重点专项（2017YFA0603900）和国家自然科学重点基金（42030602）等项目的支持。

文章信息：

Yan Zhang, Xuantong Wang, Yuhao Sun, Chenhui Ning, Shiming Xu*, Hengbin An*, Dehong Tang, Hong Guo, Hao Yang, Ye Pu, Bo Jiang, and Bin Wang. 2022. Ocean Modeling with Adaptive REsolution (OMARE, version 1.0) - Refactoring NEMO model (version 4.0.1) with the parallel computing framework of JASMIN. Part 1: adaptive grid refinement in an idealized double-gyre case, Geoscientific Model Development, 16, 679–704, doi:10.5194/gmd-16-679-2023.

供稿：徐世明

编辑：王佳音

审核：张强