mein Land hat das Vorhersagemodell „Mazu·Ocean Wave“ eigenständig entwickelt! Augen der Technologie, die unser blaues Zuhause schützen

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zhou Zhou (Technische Universität Dalian)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Trends in der intelligenten Technologie vorzustellen, hat das Spitzentechnologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie zum Thema „Künstliche Intelligenz“ veröffentlicht, um einen Einblick in die neuesten Fortschritte der künstlichen Intelligenz zu geben und auf verschiedene Bedenken und Neugierde einzugehen. Lassen Sie uns gemeinsam das intelligente Zeitalter erkunden und begrüßen.

Einem Bericht der China Daily zufolge erfuhr das Ministerium für natürliche Ressourcen kürzlich, dass das vom National Marine Environmental Forecast Center eigenständig entwickelte Vorhersagemodell „Mazu Wave“ bereits vielfach erfolgreich eingesetzt wurde und den reibungslosen Ablauf wichtiger Ereignisse sowie eine wirksame Frühwarnung vor Wellenkatastrophen gewährleistet.

Herkunft des Namens

In der weiten Welt der Ozeane bergen die Höhen und Tiefen der Wellen oft unbekannte Risiken und Chancen. Um einen besseren Einblick in die Geheimnisse der Meereswellen zu gewinnen und die Sicherheit und Interessen der Menschen bei Meeresaktivitäten zu schützen, haben Wissenschaftler kontinuierlich fortschrittliche Wellenvorhersagemodelle erforscht und weiterentwickelt. Unter diesen ist das Vorhersagemodell „Mazu·Wave“ eine leuchtende Perle der Wissenschaft und Technologie. Sie ist wie ein Paar strahlender Augen, die den Menschen das Geheimnis der Wellen näherbringen.

Der Vorhersagemodus „Mazu·Waves“ hat einen einzigartigen und aussagekräftigen Namen. Mazu, eine Meeresgottheit, die in den Küstengebieten Chinas weithin verehrt wird, symbolisiert Schutz und Frieden; während die Wellen die dynamischste und veränderlichste Kraft im Ozean darstellen. Die Kombination dieser beiden Elemente spiegelt nicht nur Ehrfurcht und Respekt vor dem Ozean wider, sondern beinhaltet auch die wunderbare Vision, die Macht der Wissenschaft und Technologie zu nutzen, um den Ozean zu schützen und ein harmonisches Zusammenleben zwischen Mensch und Ozean zu gewährleisten.

Die Wellen enthalten unendliche Kraft

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Die Magie feiner Raster und Multifaktorbetrachtungen

Um genaue Vorhersagen zu erzielen, verwenden fortschrittliche numerische Wellenvorhersagemodelle häufig hochauflösende Rechengitter, die man sich als feineres Netz zur Erfassung subtiler Veränderungen im Ozean vorstellen kann. Je feiner das Raster, desto genauer beschreiben die resultierenden Werte das komplexe Gelände, die Wasserströmungen und die meteorologischen Bedingungen im Ozean. Diese Technologie zur rechnergestützten Gittergenerierung wird häufig in Wetter- oder Ozeanvorhersagemodellen verwendet.

Besonders erwähnenswert ist, dass bei der Erfassung und Analyse von Meeresbeobachtungsdaten eine große Bandbreite an Datenerfassungskanälen genutzt wird, um genaue Ergebnisse zu erzielen.

Beispielsweise werden im Meer zahlreiche Bojen und Beobachtungsstationen eingesetzt, die wichtige Parameter wie Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Luftdruck, Meerestemperatur, Wellenhöhe usw. in Echtzeit messen und die Daten an das Rechenzentrum zurücksenden können. Darüber hinaus können sie mithilfe verschiedener satellitengestützter Sensoren großflächige Informationen zur Meeresoberfläche gewinnen, etwa zur Meeresoberflächentemperatur, zur Strömungsgeschwindigkeit, zu Welleneigenschaften usw.; und vorbeifahrende Handelsschiffe, wissenschaftliche Forschungsschiffe usw. führen während der Reise Beobachtungen durch und zeichnen relevante Meeres- und Wetterdaten auf.

Gleichzeitig liegen umfangreiche numerische Wettervorhersagedaten der Wetterdienststelle vor. Die in Küstengebieten installierten Ozeanradare können die Wellenbedingungen in Küstennähe überwachen und mithilfe akustischer Prinzipien physikalische Parameter im Ozean messen. Diese Daten sind wie Puzzleteile und liefern die ersten Basisinformationen für das Modell.

Aussichtspunkt am Meer

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Im Allgemeinen sind die spezifischen Anwendungsschritte der Technologie zur rechnergestützten Gittergenerierung wie folgt:

Anforderungen ermitteln: Basierend auf dem Umfang des Prognosegebiets und den erforderlichen Genauigkeitsanforderungen klären Sie das Gesamtlayout und die Auflösung des Rasters. Dies erfordert eine umfassende Berücksichtigung der Komplexität der Meeresumwelt und der spezifischen Anforderungen an die Prognoseanwendung.

Beobachtungsstationen in der Bohai-Bucht verteilt

(Bildquelle: Referenz 2)

Zellaufteilung: Verwenden Sie erweiterte numerische Algorithmen und Modellerstellungstechniken, um den Prognosebereich in eine Reihe regelmäßiger oder unregelmäßiger Zellen aufzuteilen. Während des Teilungsprozesses werden Größe und Form der Zellen an Faktoren wie Gelände, Wasserströmungen und Wetter im Ozean angepasst. Beispielsweise können in Gebieten mit komplexer Meerestopographie, drastischen Strömungsänderungen oder besonderen meteorologischen Bedingungen die Zellen in kleinere Einheiten unterteilt werden, um die Änderungen in diesen Gebieten genauer zu simulieren.

Wichtige geografische Merkmale berücksichtigen: Achten Sie besonders auf wichtige geografische Merkmale im Ozean, wie Küstenlinien, Inseln, Gräben usw. Für Bereiche in der Nähe dieser Merkmale wird das Netz weiter verfeinert, um es feiner zu machen. Dadurch ist eine genauere Beschreibung der Veränderungen der Meeresumwelt in der Nähe dieser besonderen geografischen Standorte möglich.

Verwenden von Rastern zum Identifizieren bestimmter geografischer Merkmale

(Bildquelle: Referenz 1)

Verwenden Sie die mehrschichtige Nested-Grid-Technologie: Um die Berechnungseffizienz und -genauigkeit zu verbessern, verwenden Sie die mehrschichtige Nested-Grid-Technologie. Das heißt, dass auf der Grundlage eines großflächigen Rasters mit niedriger Auflösung ein Raster mit höherer Auflösung für den lokalen Fokusbereich verschachtelt wird. Dies ermöglicht eine detailliertere Simulation und Prognose bestimmter Bereiche bei gleichzeitiger Gewährleistung der Rechenleistung.

Netz optimieren: Verwenden Sie Optimierungsalgorithmen, um das Netz zu optimieren und so Berechnungsfehler zu reduzieren und die Genauigkeit der Simulation zu verbessern. Durch kontinuierliche Anpassung und Verbesserung der Verteilung und Parameter des Gitters, um es besser mit den Eigenschaften und physikalischen Gesetzen der tatsächlichen Meeresumgebung in Einklang zu bringen, können die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Wellenvorhersagen verbessert werden.

Verwenden der Modelleingabedaten zum Treffen von Vorhersagen

(Bildquelle: Referenz 1)

Aus populärwissenschaftlicher Sicht ist das Vorhersagemodell „Mazu Wave“ wie ein intelligenter Meeresströmungsvorhersager. Es kann die Strömungsmuster der Ozeane „erlernen“ und sich diese Muster „merken“, sodass es zu einem zukünftigen Zeitpunkt unter Berücksichtigung des aktuellen Zustands genau vorhersagen kann, wohin die Strömung verlaufen wird. Es ist wie bei einem erfahrenen Kapitän, der durch die Beobachtung von Veränderungen am Himmel und auf See in der Lage ist, Wetter und Strömungen vorherzusagen und die besten Segelentscheidungen zu treffen.

Hervorragende Leistung jenseits der Tradition

Im Vergleich zu herkömmlichen Wellenvorhersagemethoden bietet das Vorhersagemodell „Mazu Wave“ erhebliche Vorteile. Herkömmliche Methoden basieren häufig auf empirischen Formeln und einfachen statistischen Modellen mit begrenzter Prognosegenauigkeit und zeitlicher und räumlicher Auflösung.

Der „Mazu·Wave“-Modus kann viel: Erstens können das fortschrittliche hexagonale Gitter und das dynamische Framework hochpräzise Prognoseergebnisse in wichtigen verschlüsselten Meeresgebieten und Gewässern in hohen Breitengraden der Arktis und Antarktis erzielen; zweitens kann der effiziente Algorithmus für nichtlineare Faltungswellenaktionen seine Rechenleistung um ein Drittel verbessern; drittens hervorragende parallele Skalierbarkeit im großen Maßstab, die ultragroße parallele Berechnungen mit 130.000 CPU-Kernen durchführen kann; Viertens: Durch die führende GPU-Parallelbeschleunigungsfunktion entspricht die Rechenleistung eines einzelnen GPU-Servers 90 CPU-Servern und der Rechenenergieverbrauch wird um etwa 88 % reduziert.

Magische Unterstützung in vielen Bereichen

Das Mazu-Wellenvorhersagemodell hat ein breites Anwendungsspektrum. Es ist ein solider Schutzschild für die Meerestechnik – eine genaue Wellenvorhersage ist für die Konstruktion, den Bau und den Betrieb von Offshore-Plattformen von entscheidender Bedeutung.

Es kann Ingenieuren dabei helfen, die Auswirkungen von Wellen auf Plattformstrukturen zu bewerten, angemessene Schutzmaßnahmen zu entwerfen und die Sicherheit und Stabilität der Plattform zu gewährleisten. Es geht um sichere Navigation in der Schifffahrtsbranche. Durch die Kenntnis der Wellenbedingungen im Voraus können Sie die Routenplanung optimieren, vermeiden, dass Schiffe bei rauen Seebedingungen fahren, Navigationsrisiken verringern und die Transporteffizienz verbessern. Das Geheimnis einer guten Ernte in der Fischerei besteht darin, geeignete Fanggründe und Betriebszeiten entsprechend den Wellenbedingungen auszuwählen, den Fang zu erhöhen und die Sicherheit der Fischereiproduktion zu gewährleisten. Darüber hinaus ist es ein enger Partner für den Küstentourismus – Touristenattraktionen können entsprechend den Prognosen im Voraus Sicherheitsvorkehrungen treffen, Touristen daran erinnern, auf Wellenrisiken zu achten und Wasseraktivitäten sinnvoll organisieren.

Genaue Wellenvorhersagen sorgen für angenehmere Angelbedingungen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Gleichzeitig können genaue Wellenvorhersagen auch Wassersportbegeisterten wie Surfern und Windsurfern die beste Zeit und den besten Ort anzeigen und so ihr Sporterlebnis verbessern.

Der schwierige Weg hinter Forschung und Entwicklung

Die Entwicklung des Vorhersagemodells „Mazu·Ocean Waves“ geschah jedoch nicht über Nacht. Es ist das Ergebnis der harten Arbeit und Weisheit vieler wissenschaftlicher Forscher.

Während des Forschungs- und Entwicklungsprozesses waren die Forscher mit zahlreichen technischen Schwierigkeiten und Herausforderungen konfrontiert. Beispielsweise, wie die Anpassungsfähigkeit des Modells an komplexe Meeresumgebungen verbessert werden kann, wie enorme Mengen an Beobachtungsdaten und Berechnungsergebnissen verarbeitet werden können, wie die Prognosegenauigkeit des Modells überprüft und verbessert werden kann usw. Um diese Probleme zu lösen, hat das wissenschaftliche Forschungsteam kontinuierlich technologische Innovationen und Optimierungen durchgeführt, zahlreiche numerische Experimente und Überprüfungen durch Feldbeobachtungen durchgeführt und die Leistung des Modells schrittweise verbessert und gesteigert.

Um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Vorhersagemodells „Mazu·Ocean Waves“ sicherzustellen, sind rigorose Überprüfungs- und Evaluierungsarbeiten unabdingbar. Die Forscher werden die Prognoseergebnisse mit tatsächlichen Beobachtungsdaten vergleichen und analysieren, Fehlerindikatoren berechnen und die Leistung des Modells unter verschiedenen Meeres- und Jahreszeitenbedingungen bewerten. Durch kontinuierliches Feedback und Verbesserungen kann die Prognosegenauigkeit des Modells kontinuierlich verbessert werden.

Gleichzeitig haben die zuständigen Abteilungen eine umfassende Plattform und ein Servicesystem zur Veröffentlichung von Informationen eingerichtet, damit noch mehr Menschen problemlos an Informationen zur Wellenvorhersage gelangen können. Wellenvorhersageprodukte werden der Öffentlichkeit rechtzeitig über verschiedene Kanäle wie Websites, mobile Anwendungen, Radio und Fernsehen zugänglich gemacht, damit sich die Menschen im Voraus vorbereiten können.

Mit der offiziellen Genehmigung des Ministeriums für natürliche Ressourcen wurde das vom National Marine Environmental Forecast Center (Tsunami-Warnzentrum des Ministeriums für natürliche Ressourcen) unabhängig entwickelte „Mass Conservation Ocean Circulation Numerical Model ‚Mazu 1.0‘“ (englischer Name: Mass Conservation Ocean Model, abgekürzt MaCOM1.0) am 29. Dezember 2021 offiziell veröffentlicht.

(Fotoquelle: National Marine Forecasting Center)

Augen der Technologie, Segen des Ozeans

Während der Auswirkungen des Supertaifuns Gemi Nr. 3 im Jahr 2024 wurde das von meinem Land unabhängig entwickelte Modell „Mazu·Wave“ erstmals zur Wellenwarnung eingesetzt und leistete wichtige Unterstützung für eine rechtzeitige und genaue Warnung vor Wellen. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt in Wissenschaft und Technologie und der rasanten Entwicklung der Meereswirtschaft wird auch das Vorhersagemodell „Mazu·Wave“ ständig weiterentwickelt und verbessert. In Zukunft wird eine umfassende Integration mit neuen Technologien wie künstlicher Intelligenz und Big Data erwartet, um die Genauigkeit und Aktualität der Prognosen weiter zu verbessern.

Da die Auswirkungen des globalen Klimawandels auf die Meeresumwelt immer bedeutender werden, werden Modelle auch bei der Reaktion auf extreme Meeresbedingungen und bei der Warnung vor Meereskatastrophen eine immer wichtigere Rolle spielen. Ich bin überzeugt, dass dieses technologische Auge auch in Zukunft unsere Reise mit dem Ozean erhellen, Menschen und Ozean dabei helfen wird, harmonisch zusammenzuleben und gemeinsam ein neues Kapitel der blauen Entwicklung zu schreiben.

Quellen:

1.

2.Cifu Fu;Jie Xiong;Fujiang Yu.Sturmflutvorhersage basierend auf physikalisch fundierten neuronalen Netzwerken im Bohai-Meer[J].Journal of Physics: Conference Series,2024,Vol.2718: 012057