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PG电竞官网方法，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PG电竞官网等PG电竞官网机核心部件的持续迭代升级，服务PG电竞官网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�？呓绲榷嘀中畔�，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PG电竞官网负载较小，未包含实际模拟中复杂的PG电竞官网边界，难以发挥当前服务PG电竞官网平台的全部PG电竞官网性能。
为了能够更全面地测试海洋数值模型在最新服务PG电竞官网平台的性能，PG电竞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PG电竞官网，解决了开源高分辨率算例从无到有的问题，在PG电竞官网效率和精度方面取得平衡；
■ PG电竞官网负载高、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PG电竞官网架构的性能；
■ 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�：Ｑ笊ρＪ绞笛槭业某鲁なげ┦亢臀樽然舳Ｑ笱岬穆薏夭┦苛峡�，集成了多种物理、水质与生态PG电竞官网�？�，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、PG电竞官网效率高等优势，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PG电竞官网，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PG电竞官网开边界节点各个模拟时刻潮位。例如不同潮汐水位PG电竞官网公式如下：
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�？呓缟戏直媛式档偷�(1/10)°至2°之间，从而在PG电竞官网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PG电竞官网发散。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�？�
■ 双精度�？椋―OUBLE_PRECISION）
■ 经纬度坐标（SPHERICAL）
■ 干湿处理（WET_DRY）
■ 并行�？椋∕ULTIPROCESSOR）
■ 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PG电竞官网过程稳定性。在当前最新双路服务PG电竞官网平台，模拟PG电竞官网总时间为1.14小时左右，总输出文件大小为6TB左右。
3.2 PG电竞官网结果验证
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PG电竞官网后，PG电竞官网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�。庥肽Ｐ偷氖岛纳⒔洗笥泄�，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PG电竞官网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PG电竞官网施加较高的PG电竞官网压力的同时，能够保持FVCOM模型的稳定性和PG电竞官网效率，最终实现PG电竞官网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PG电竞官网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
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