長江口風暴潮集成可視化預報系統(tǒng)的升級

李 鋮， 葛建忠， 丁平興

（華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062）

長江口風暴潮集成可視化預報系統(tǒng)的升級

李 鋮， 葛建忠， 丁平興

（華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062）

運用VB.net、Intel Fortran等軟件對長江口風暴潮集成預報系統(tǒng)進行升級與改進.引入SWAN并行計算模式，顯著提高波浪模式的計算效率，解決了快速預報中考慮波浪計算的時效性問題.優(yōu)化流場模式代碼，進行模塊化設(shè)計，提高流場模式的計算效率.對軟件界面進行改進，增強了人機交互界面友好性，提高了軟件兼容性與穩(wěn)定性.通過5個臺風暴潮的計算對比，結(jié)果表明新系統(tǒng)保持了原預報系統(tǒng)計算精度，并提高了系統(tǒng)整體預報效率.在本文的硬件環(huán)境中，不考慮波浪計算時，預報時間節(jié)省60%；考慮波浪計算時，預報時間節(jié)省68%.

可視化系統(tǒng)； 風暴潮預報； 長江口

0 引 言

每年夏秋季，我國東南沿海經(jīng)常受到風暴潮襲擊.風暴潮造成的損失在每年海洋災害損失中排名第一［1］.因此，提供及時、準確的風暴潮預報警，對于發(fā)展社會經(jīng)濟、保護人民生命財產(chǎn)安全有著重要意義.

國際上風暴潮數(shù)值預報研究始于20世紀50年代，早期的有英國的Sea Model和美國的SPLASH、SLOSH模式.ADCIRC模式和DELFT3D模式也在一些國家和地區(qū)得到良好應用［2，3］.我國很多學者對風暴潮產(chǎn)生的復雜動力機理和風暴潮預報模式進行了大量研究.20世紀70年代以來以馮士筰、秦曾灝等為代表的科學工作者開展了關(guān)于熱帶氣旋、風暴潮運動的理論和數(shù)值預報研究，并提出了淺海風暴潮理論及數(shù)值模式［4，5］.尹寶樹、丁平興等對波浪、天文潮與風暴潮相互作用進行了相關(guān)研究［6，7］.為了業(yè)務預報的應用方便，將各種模式的計算結(jié)果進行直觀、形象的可視化顯示，國內(nèi)外相繼發(fā)展一些風暴潮可視化預報系統(tǒng).Fanjul等在西班牙海域建立了Nivmark風暴潮預報系統(tǒng)［8］，荷蘭也開發(fā)了一套完整的風暴潮業(yè)務預報系統(tǒng)［3］.我國的朱軍政等［9］和李洪才等［10］分別建立了錢塘江河口及廣東沿海風暴潮可視化預報系統(tǒng).這些集成系統(tǒng)在防災減災中發(fā)揮了重要作用.

1 風暴潮集成可視化預報系統(tǒng)簡介

為了滿足快速預報業(yè)務的需要，葛建忠等［11，12］建立了一套長江口、杭州灣及其鄰近海域的風暴潮集成預報可視化系統(tǒng)，并以軟件形式發(fā)布.該系統(tǒng)以二維復合流場模型為基礎(chǔ)，采用非正交自適應網(wǎng)格，包括風場模型、波浪模型與復合流場模型.其具有如下特點：可在普通Windows計算機上運行，不需要昂貴的計算集群，降低了系統(tǒng)的使用門檻；整合了數(shù)值預報、數(shù)據(jù)分析、圖像輸出和數(shù)據(jù)庫功能；將大量的計算數(shù)據(jù)輸出為各種靜態(tài)、動態(tài)圖形，方便了預報員對計算結(jié)果的分析處理.2005年該系統(tǒng)曾成功預報了TC0509（麥莎）、TC0515（卡努）等多次臺風暴潮過程，預報精度可靠，已被水利部太湖流域管理局、國家海洋局東海預報中心等單位用于業(yè)務預報.

幾年來，在該系統(tǒng)的實際應用過程中發(fā)現(xiàn)了一些不足之處，如：①波浪模塊計算耗時過長；②流場模式計算效率相對較低；③操作界面不夠人性化，后處理功能相對簡單；④軟件不兼容于新版本操作系統(tǒng)等.這對風暴潮的業(yè)務化預報造成了一些不便，尤其是在快速預報中為了提高預報時效性，往往不考慮波浪.因此，本文在保持預報系統(tǒng)計算精度的前提下，以提高預報效率為主要目的，針對上述問題進行預報系統(tǒng)的升級.

2 風暴潮集成可視化預報系統(tǒng)的升級

預報系統(tǒng)的升級包括三個方面，首先引入的SWAN波浪并行計算模式；其次優(yōu)化流場模式代碼；最后進行軟件界面的重新設(shè)計.前兩者以提高系統(tǒng)的計算效率為目的，后者為解決軟件與最新主流操作系統(tǒng)的兼容性問題.本文使用的開發(fā)工具及系統(tǒng)運行要求見表1.

表1 系統(tǒng)開發(fā)與運行環(huán)境Tab.1 System development and runtime environment

2.1 SWAN并行計算的引入

風暴潮預報系統(tǒng)中波浪計算部分采用第三代淺水波浪模式SWAN［13］.該模式基于能量平衡方程，采用波浪譜描述海浪的隨機性，考慮了較多的物理過程，并采用了迭代的計算方式，計算量較大.因而，原預報系統(tǒng)波浪模式計算消耗時間較多，實際的快速預報中，為了提高時效性，往往不考慮波浪的作用.

并行計算可有效提高SWAN模式的計算效率.SWAN模式的并行計算有兩種方式：一種是基于共享內(nèi)存并行系統(tǒng)的OPENMP標準；另一種是基于分布式存儲的消息傳遞接口MPI.本文采用OPENMP的并行模式，在程序開始執(zhí)行時，只有主線程在運行，當運行到需要進行并行計算的時候，派生出新線程執(zhí)行并行任務，在并行代碼結(jié)束執(zhí)行后，派生線程退出，不再工作，控制流程回到單獨的主線程中.其優(yōu)點是提供了更強的靈活性，并且程序能夠自動適應計算機的線程數(shù)，適應不同的并行系統(tǒng)配置.

對預報系統(tǒng)中東中國海區(qū)域進行SWAN串并行對比實驗，計算臺風風場驅(qū)動下的波浪場，計算時長7 d.時間步長設(shè)為15 min，計算迭代次數(shù)設(shè)為5次，計算網(wǎng)格數(shù)量140×208.兩種方式的計算結(jié)果保持一致.表2列出了當前主流的兩種CPU硬件環(huán)境下，串行計算與并行計算分別消耗的時間.從中可看出使用并行計算大幅節(jié)約了SWAN的計算時間，實現(xiàn)了提高波浪模式計算效率的目的.

表2 單線程與多線程計算耗時對比Tab.2 Comparison between single-threaded and multi-threaded computation time

2.2 流場模式代碼的優(yōu)化

原系統(tǒng)中的流場模式代碼為F77格式，且未經(jīng)模塊化，導致編譯后的執(zhí)行效率較低.本文對流場模式的代碼進行了升級，將原來的F77格式升級成標準的F90格式并模塊化；優(yōu)化代碼，減少模塊的重復調(diào)用，提高代碼的運行效率；升級代碼中的顯示模塊，使之在兼容新系統(tǒng)下具有更高的效率.流場模型各模塊名稱及主要功能如表3.

表3 各模塊名稱及功能Tab.3 Names and functions of each module

對比代碼優(yōu)化前后，計算15 d臺風過程，原模式耗時610 s，而新模式耗時359 s，可節(jié)約41%的計算時間.

2.3 軟件界面的升級

隨著計算機硬軟件的發(fā)展，Windows Vista和Windows 7已逐步成為主流桌面操作系統(tǒng).原預報系統(tǒng)的軟件界面采用VB6.0開發(fā)，與主流操作系統(tǒng)不兼容.因此，使用VB.net對軟件界面進行重新開發(fā)，解決與最新主流操作系統(tǒng)的兼容性問題，同時增強人機交互界面的友好性.

升級前后軟件共有的主要功能有：實時更新水文數(shù)據(jù)、風場數(shù)據(jù)，自動處理臺風參數(shù)；自動調(diào)用數(shù)值預報程序進行風場、波浪、風暴潮和天文潮計算；計算結(jié)果以數(shù)據(jù)庫形式存儲，與主系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；根據(jù)用戶設(shè)置進行部分計算數(shù)據(jù)可視化顯示，包括風場可視化、流場可視化及水位過程線顯示等.新軟件新增功能有：①新增消息提示窗口，對預報操作進行提示（見圖1）；②在流場、風場、增水場界面添加動畫顯示功能，讓計算結(jié)果更加直觀，圖像瀏覽播放更便捷（見圖2）；③實現(xiàn)水位過程圖的再編輯功能，方便操作人員選擇出圖效果（見圖3）.

圖1 升級后系統(tǒng)主界面Fig.1 Upgraded system interface

圖2 升級后臺風風場顯示界面Fig.2 Wind visualization at upgraded system

3 系統(tǒng)升級前后計算結(jié)果及運行耗時

本文選取5個臺風過程分別對升級前后的預報系統(tǒng)進行風暴潮模擬預報計算.為保證系統(tǒng)運行的外部環(huán)境一致，二者計算使用同一電腦平臺（CPU：I5-750 2.67 GHz；內(nèi)存：4 GB；硬盤：500 GB；操作系統(tǒng)：Windows XP）.以9711臺風計算結(jié)果為例，如圖4，可看出系統(tǒng)升級后精度良好.

圖3 升級后水位過程顯示界面Fig.3 Hydrograph visualization at upgraded system

圖4 大戢山、灘滸9711臺風暴潮水位計算值與實測值比較Fig.4 Water level comparisons between calculated and measured values of Typhoon 9711 at Dajishan and Tanhu

由于電腦配置的不同，計算時間會有差別，故節(jié)約時間的比率會有所不同，但整體上新系統(tǒng)計算效率提升很大.表4統(tǒng)計了此次對比計算的總耗時，在不考慮波浪計算情況下新系統(tǒng)節(jié)約運行時間60%以上，考慮波浪計算情況下節(jié)約運行時間68%以上.

表4 原系統(tǒng)與新系統(tǒng)總耗時對比Tab.4 Comparison between the original and new system computation time

4 結(jié) 論

原風暴潮集成可視化預報系統(tǒng)在多年來的實際應用中效果良好，預報精度可靠.本文在保持其預報精度的前提下，提高波浪模式和流場模式的計算效率，最終提高了系統(tǒng)整體的運行效率，并改善軟件操作界面，增強人機交互界面友好性，提高了軟件兼容性與穩(wěn)定性.在本文所使用的電腦平臺上，不考慮波浪的風暴潮計算可節(jié)約預報時間60%以上，而考慮波浪的風暴潮計算可節(jié)約68%以上，并控制在45 min以內(nèi).這方便了業(yè)務單位在實際預報過程中可以考慮波浪進行計算，達到了預期效果.

［1］ 國家海洋局.中國海洋災害公報［R］.北京：國家海洋局，2009.

［2］ WESTERINK J J，F(xiàn)EYEN J C，ATKINSON J H，et al.A New Generation Hurricane Storm Surge Model for Southern Louisiana［R］.Notre Dame：Department of Civil Engineering and Geological Sciences，University of Notre Dame，2004.

［3］ VERLAAN M，ZIJDERVELD A，DE VRIES H，et al.Operational storm surge forecasting in the Netherlands：developments in the last decade［J］.Philosophical Transactions，2005，363（1831）：1441-1453.

［4］ 秦曾灝，馮士筰.淺海風暴潮動力機制的初步研究［J］.中國科學，1975，18（1）：64-79.

［5］ 馮士筰.風暴潮導論［M］.北京：科學出版社，1982.

［6］ YIN B，SHA R.Numerical study of wave-tide-surge coupling processes［J］.Bulletin of Marine Science，2006，47：1-15.

［7］ HU K L，DING P X，GE J Z，et al.Modeling of storm surge in the coastal waters of Yangtze Estuary and Hangzhou Bay China［J］.Journal of Coastal Research，2007，50：527-533.

［8］ FANJUL Eá，GóMEZ B P，ARéVALO I R S.Nivmar：a storm surge forecasting system for Spanish waters［J］.Scientia Marina，2001，65（S1）：145-154.

［9］ 朱軍政.杭州灣臺風風暴潮綜合水位預報可視化［J］.海洋預報，2003，20（4）：30-38.

［10］ 李洪才，王永信，林少奕.廣東沿海臺風風暴潮可視化預報系統(tǒng)［J］.海洋預報，2004，21（4）：81-87.

［11］ 葛建忠，胡克林，丁平興.風暴潮集成預報可視化系統(tǒng)設(shè)計和應用［J］.華東師范大學學報：自然科學版，2007（4）：20-25.

［12］ 葛建忠.風暴潮數(shù)值預報及可視化［D］.上海：華東師范大學，2007.

［13］ THE SWAN TEAM.User Manual SWAN CycleⅢVersion40.81［M］.Delft：Delft University of Technology，2010.

Upgrades of the integrated visualized storm surge forecasting system in the Changjiang Estuary

LI Cheng， GE Jian-zhong， DING Ping-xing

（State key Laboratory of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China）

This study focuses on the upgrade of an integrated storm surge forecasting system for the Changjiang Estuary with development tools such as VB.NET，Intel Fortran，etc.The forecasting efficiency with wave consideration has significantly improved by the implementation of SWAN parallel computation.Hydrodynamic model could provide much faster forecasting with the optimization and modularization of the source code.New software interface was designed to improve the compatibility and stability.The comparison between the original and upgraded version is given with 5 storm surge simulation，with an aim to show the system improvement on forecasting efficiency and precision.It shows the model precision of upgraded version is guaranteed.The efficiency is quantitatively increased by 68%and 60%with consideration and neglecting of wave effect，respectively.

visualization system； storm surge forecasting； Changjiang Estuary

Q948

A

10.3969／j.issn.1000-5641.2012.04.023

1000-5641（2012）04-0190-06

2011-03

中荷戰(zhàn)略科學聯(lián)盟計劃（2008DFB90240）

李鋮，男，碩士研究生.

丁平興，男，教授，博導，主要研究方向為陸海相互作用.E-mail：pxding＠sklec.ecnu.edu.cn.