摘要：海洋数值模式是精准海洋环境预报的核心手段。随着计算分辨率的不断提高,海洋数值模式对计算性能的要求也越来越高。为了提高模式计算性能,充分发挥现代计算机的特点,选取海洋环流模式NEMO开展了代码现代化优化方案在海洋环流模式中的应用研究。首先使用Intel性能分析工具对模式的计算性能进行了分析;随后,针对热点函数,开展了编译选项优化、标量串行代码优化、SIMD优化、内存带宽优化以及多进程扩展。结果显示:经过以上优化步骤,在不增加任何硬件成本的前提下,模式整体性能可提升31%,且在多进程下表现出了较好的负载均衡性。这表明,本研究采用的优化策略是一种切实可行的方法。在此基础上,进一步对代码现代化过程中出现的显著影响计算效率的问题,如大量指针的使用阻止矢量化、循环嵌套过多、内存带宽占用过高等,开展了分析和讨论,为未来模式的设计和改进提供了参考和建议。

摘要：海洋观测浮标作为监测海洋气象、水文和生态参数的漂浮式自动化监测平台,在海洋研究中扮演着重要角色。针对观测浮标中存在的性能、精度和可靠性较差的问题,根据浮标的采集参数、数据传输方式以及低功耗的设计需求,本文设计了一套海气多参数浮标数据采集系统。该系统选用性能及精度较高的传感器采集并获取数据,基于北斗卫星进行远程通信,利用嵌入式STM32低功耗模块进行控制,并使用LabView软件设计了采集控制程序。实验验证该系统可实现对海洋气象环境中气温、气压、温度、风速、风向和辐射以及海洋水文环境中温度、盐度、深度和海流等参数的测量,各项指标均满足设计要求。

摘要：基于2019年夏季中国第十次北极科学考察(“十北”科考)中“海燕”水下滑翔机观测的温度和溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)数据,对白令海海盆区水团分类,及其温度和溶解氧分布特征进行了分析研究。结果表明:北极白令海海盆区水体一般由温度差异较为明显的上层水,中层水和深层水组成,其温度水平分布具有东高西低的特点,且随着深度的增加,水平温差逐渐减小。白令海上层水位于50 m以浅的位置,在约30~50 m深度处存在强温跃层,温跃层自西向东深度略有增加,且厚度不均匀,跃层强度约为0.31℃/m;白令海中层水位于50~250 m深度处,主要为冬季残留水,中层冬季残留水分布具有一定地区性差异,在此位置存在温度最小值,约为2.7℃;白令海深层水水体较稳定,温度随深度缓慢降低。对比垂直断面温度特征和溶解氧特征可知,白令海中层冬季残留水溶解氧含量较高,高于上层水团;在中层水与深层水之间存在氧跃层,氧含量从250μmol/L快速下降至50μmol/L,并随着深度的增加,在1000 m深处降至20μmol/L。

摘要：海洋数值模式是定量描述海洋物理现象及其变化的数值模型,也是海洋与气候研究、预测的核心工具。随着海洋观测的不断投入与积累、对海洋认识的不断深入,特别是在高性能计算技术的支撑下,海洋数值模式已有了长足进步,正朝着高分辨率和多物理过程的方向发展。随着分辨率的提高、物理过程的细化,海洋数值模式的发展面临着多个方面的挑战。当前,海洋数据数量和种类不断增多,同时超级计算机、高性能计算和深度学习等技术的快速发展,为海洋数值模式的突破提供了机遇与挑战。本研究回顾了海洋数值模式的发展现状,梳理和分析了其发展中遇到的大规模高效并行计算和参数优化这两个关键问题,探讨和展望了当前海量数据驱动下海洋数值模式的发展趋势。提出计算负载均衡、计算与I/O重叠的并行流水线设计以及降低全局交换的算法改进是当前突破高分辨率海洋模式大规模高效并行效率的关键。从海洋科学、高性能计算以及深度学习深度交叉融合的角度,提出了实现海洋科学与深度学习相结合的6个途径,在此基础上,探讨了基于深度学习的参数化优化可能实现的途径。

摘要：2019年3月,利用相干多普勒测风激光雷达首次在辽东湾西部绥中地区进行了风廓线测量试验。根据研究区域海岸线走向采用风向的十六分位法定义局地海风和陆风,分析和提取海陆风特征验证了多普勒测风激光雷达在春季季风间断期间观测海陆风的可行性,并计算和分析了大气边界层湍流能量的变化以及回流水平变化等特性。结果表明:1)绥中地区春季存在明显的海陆风环流特征,测风激光雷达观测海陆风出现的时间与地面自动气象站观测的数据较为一致,符合海陆风日的定义。2)海陆风日发生时,水平局地回流指数(RF)较小,1.2 km以下的RF值小于0.5,使得污染物循环累积,较易形成雾霾天气;但是海风时大气边界层的高度可达1 km以上,有利于低层大气污染物向高层扩散,减轻低层大气污染。研究结果为该地边界层参数化方案的设计和污染的防治提供了参考依据。

摘要：通过海面浮标实现内波流观测数据的实时传输,对于海洋油气开发的内波流预警安全保障具有非常重要的意义。安装在海面浮标上的海流观测设备(如ADCP)对浮标姿态有较高要求,本文设计了48种不同尺寸的柱形观测浮标,采用Solid Works软件和ANSYS Workbench 2020软件,分析比较了在外界载荷相同的情况下,不同外形参数柱形观测浮标的横摇变化情况。分析结果表明:①在保证充足浮体浮力情况下,当浮体高度为1.3 m时,对于所有浮体样品直径,柱形观测浮标在1~20 s周期波浪影响下,其横摇角度均可不超过20°。②当直径不小于0.6 m时,对于所有浮体样品高度,其横摇角度在周期为1~20 s的波浪下均不超过20°;当浮体直径为0.7 m时,柱形观测浮标最稳定,其横摇角度最大不超过10°。③对于48种不同尺寸柱形观测浮标,浮体高度为1.2~1.3 m,浮体直径为0.6~0.7 m时,柱形观测浮标最为稳定。④当浮体高度为1.4 m或1.5 m,直径为0.4 m时,由于高频波浪影响,其最大横摇角度甚至会超过90°,这与柱形观测浮标固有频率与波浪频率发生共振有关。研究结果对于小型浮标设计和表面浮标观测剖面流具有重要的参考意义。

摘要：本文基于可以同时接收包括北斗、GPS和GLONASS在内的全球导航卫星系统的定位模块和铱星远程通讯模块,介绍了长航时、适用于全球水域和极地冰区的表面漂流浮标设计和组成,并对其测流性能进行了理论分析。通过中国第10次北极科学考察队在北极楚科奇海和白令海的试验性应用表明,相比目前常用的Argos表面漂流浮标,该浮标具有数据传输频率和有效性高、定位精度和流速反演高、功耗低和寿命周期长、适用于高海况和海冰密集度高的恶劣海域,并可进行后期功能拓展等特点。这一浮标技术的研究对于支撑我国极地观测网和全球海洋视测网建设可以起到重要作用。