我が国は独自に「媽祖・海洋波浪」予測モデルを開発しました！私たちの青い家を守るテクノロジーの目

制作：中国科学普及協会

著者: 周周 (大連理工大学)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端技術プロジェクトは、インテリジェント技術の最新動向を紹介するために、「人工知能」に関する一連の記事を立ち上げ、人工知能の最先端の進歩を垣間見ることができ、さまざまな懸念や好奇心に応えています。一緒に探究し、インテリジェントな時代を受け入れていきましょう。

最近、チャイナデイリーの報道によると、国家海洋環境予報センターが独自に開発した「媽祖波」予測モデルが何度も成功裏に適用され、主要イベントの円滑な開催が確保され、波浪災害の早期警報が効果的に促進されたことが自然資源部から分かったという。

名前の由来

広大な海の世界では、波の起伏に未知のリスクやチャンスが潜んでいることがよくあります。海洋波浪の謎をより深く解明し、海洋活動における人類の安全と利益を守るために、科学者は絶えず探求と革新を続け、先進的な波浪予測モデルを開発してきました。その中でも「媽祖波浪」予測モデルは科学技術の輝かしい真珠です。彼女は光り輝く瞳のようで、人間に波の謎を解明するよう導きます。

「媽祖波」予測モードには、ユニークで意味のある名前が付けられています。中国の沿岸地域で広く崇拝されている海の神である媽祖は、守護と平和を象徴しています。一方、波は海の中で最もダイナミックで変化する力を表しています。この2つを組み合わせることで、海に対する畏敬の念と尊敬の念が反映されるだけでなく、科学技術の力を使って海を守り、人間と海の調和のとれた共存を確保するという美しいビジョンも込められています。

波には無限の力がある

（写真提供：veerフォトギャラリー）

細かいグリッドと多要素の考慮の魔法

正確な予測を実現するために、高度な数値波浪予測モデルでは、高解像度の計算グリッドが使用されることが多く、これは海洋の微妙な変化を捉えるために、より細かいネットを使用するようなものです。グリッドが細かくなるほど、海洋の複雑な地形、水流、気象条件を記述する結果の値が正確になります。この計算グリッド生成技術は、気象や海洋予報モデルで広く使用されています。

特に注目すべきは、海洋観測データの収集と分析においては、正確な結果を得るために幅広いデータ収集チャネルが使用されていることです。

例えば、海洋には多数のブイや観測ステーションが設置されており、風速、風向、気圧、海水温、波高などの主要なパラメータをリアルタイムで測定し、そのデータをデータセンターに送信できます。また、衛星に搭載された各種センサーを通じて、海面温度、流速、波の特性など、広域の海面情報を取得することもできます。通過する商船、科学調査船等は航海中に観測を行い、関連する海洋・気象データを記録します。

同時に、気象庁からの大規模な数値天気予報データもあります。沿岸地域に設置された海洋レーダーは、沿岸の波の状態を監視し、音響原理を使用して海洋の物理的パラメータを測定することができます...これらのデータはパズルのピースのようなもので、モデルの初期の基本情報を提供します。

海辺の展望台

（写真提供：veerフォトギャラリー）

一般的に言えば、計算グリッド生成技術の具体的な適用手順は次のとおりです。

要件の決定: 予測エリアの範囲と必要な精度要件に基づいて、グリッドの全体的なレイアウトと解像度を明確にします。これには、海洋環境の複雑さと特定の予測アプリケーション要件を総合的に考慮する必要があります。

渤海湾に分布する観測所

（画像出典：参考資料2）

セル分割: 高度な数値アルゴリズムとモデル構築技術を使用して、予測領域を一連の規則的なセルまたは不規則なセルに分割します。分裂の過程では、地形、水流、海の天候などの要因に基づいて細胞の大きさと形状が調整されます。たとえば、複雑な海洋地形、急激な海流の変化、または特殊な気象条件のある地域では、セルをより小さな単位に分割して、これらの地域の変化をより正確にシミュレートすることができます。

主要な地理的特徴を考慮する: 海岸線、島、海溝など、海洋の主要な地理的特徴に十分注意してください。これらの特徴に近い領域では、メッシュがさらに細かく調整されます。これにより、これらの特殊な地理的場所付近の海洋環境がどのように変化するかをより正確に説明できるようになります。

グリッドを使用して特定の地理的特徴を識別する

（画像出典：参考1）

多層ネストグリッド技術の使用: 計算効率と精度を向上させるために、多層ネストグリッド技術を使用します。つまり、大規模な低解像度のグリッドに基づいて、焦点となるローカル領域に対して高解像度のグリッドがネストされます。これにより、計算効率を確保しながら、特定のエリアのより詳細なシミュレーションと予測が可能になります。

メッシュの最適化: 最適化アルゴリズムを使用してメッシュを最適化し、計算エラーを減らしてシミュレーションの精度を向上させます。グリッドの分布とパラメータを継続的に調整・改善し、実際の海洋環境の特性や物理法則とより一致するようにすることで、波浪予測の精度と信頼性を向上させることができます。

モデル入力データを使用して予測を行う

（画像出典：参考1）

ポピュラーサイエンスの観点から見ると、「媽祖波」予測モデルはインテリジェントな海流予測器のようなものです。海流のパターンを「学習」し、そのパターンを「記憶」できるため、将来のある時点で、現在の状態を前提として、海流がどこに向かうかを正確に予測できます。それは、空と海の変化を観察して天候や潮流を予測し、最善の航海の決定を下すことができる経験豊富な船長のようなものです。

伝統を超えた卓越したパフォーマンス

従来の波浪予測方法と比較して、「媽祖波」予測モデルには大きな利点があります。従来の方法は、多くの場合、経験式と単純な統計モデルに依存しており、予測の精度と時間的および空間的な解像度が限られています。

「Mazu·Wave」モードには多くの機能があります。まず、高度な六角形グリッドと動的フレームワークにより、北極と南極の主要な暗号化された海域と高緯度海域で高精度の予測結果を得ることができます。第二に、効率的な畳み込み波非線形アクションアルゴリズムにより、計算効率が 3 分の 1 向上します。 3つ目は、13万CPUコアの超大規模並列コンピューティングを実行できる優れた大規模並列スケーラビリティです。 4 番目は、最先端の GPU 並列加速機能です。1 台の GPU サーバーの計算能力は CPU サーバー 90 台に相当し、計算エネルギー消費は約 88% 削減されます。

多方面で魔法のようなサポート

媽祖波動予測モデルは幅広い用途に応用されています。これは海洋工学にとっての強固な盾です。正確な波浪予測は、沖合プラットフォームの設計、建設、運用に不可欠です。

これにより、エンジニアは波がプラットフォーム構造に与える影響を評価し、保護対策を合理的に設計し、プラットフォームの安全性と安定性を確保することができます。海運業界における安全な航行 - 波の状況を事前に把握することで、航路計画を最適化し、厳しい海況での船舶の航行を回避し、航行リスクを軽減し、輸送効率を向上させることができます。波の状況に応じて適切な漁場と操業時間を選択し、漁獲量を増やし、漁業生産の安全を確保することが漁業の豊作の秘訣です。また、沿岸観光にとっても密接なパートナーであり、観光地は予報に基づいて事前に安全対策を講じ、観光客に波のリスクに注意するよう呼びかけ、水上アクティビティを合理的に手配することができます。

正確な波予報により、釣りの条件がより便利になります

（写真提供：veerフォトギャラリー）

同時に、正確な波予報は、サーフィンやウィンドサーフィンなどのウォータースポーツ愛好家に最適な時間と場所を提供し、スポーツ体験を向上させることもできます。

研究開発の困難な道のり

しかし、「媽祖・海洋波浪」予測モデルの開発は一夜にして達成されたわけではありません。それは多くの科学研究者の努力と知恵の成果です。

研究開発の過程で、研究者たちは多くの技術的な困難や課題に直面しました。例えば、複雑な海洋環境へのモデルの適応性をどのように向上させるか、膨大な観測データや計算結果をどのように処理するか、モデルの予測精度をどのように検証・向上させるかなどです。これらの問題を解決するために、科学研究チームは継続的に技術革新と最適化を行い、多数の数値実験と現地観測検証を実施し、モデルの性能を徐々に改善・強化してきました。

「媽祖・海洋波浪」予測モデルの正確性と信頼性を確保するためには、厳格な検証と評価作業が不可欠です。研究者は予測結果を実際の観測データと比較・分析し、誤差指標を計算し、さまざまな海況や季節条件下でのモデルの性能を評価します。継続的なフィードバックと改善を通じて、モデルの予測精度を継続的に向上させることができます。

同時に、より多くの人々が波浪予報情報を容易に入手できるように、関係部門も完全な情報公開プラットフォームとサービスシステムを構築しました。波浪予報製品は、人々が事前に準備できるように、ウェブサイト、モバイルアプリケーション、ラジオ、テレビなどのさまざまなチャネルを通じてタイムリーに一般に公開されます。

国家海洋環境予報センター（天然資源部津波警報センター）が自主開発した「質量保全型海洋循環数値モデル『媽祖1.0』」（英文名称：Mass Conservation Ocean Model、略称：MaCOM1.0）が、天然資源部の正式承認を得て、2021年12月29日に正式にリリースされた。

（写真提供：国立海洋予報センター）

テクノロジーの目、海の恵み

2024年の超大型台風3号の襲来時には、我が国が独自に開発した「媽祖波」モデルが初めて波浪警報に使用され、適時かつ正確な波浪警報に重要なサポートを提供しました。科学技術の継続的な進歩と海洋経済の急速な発展に伴い、「媽祖波」予測モデルも絶えず進化し、改善されています。将来的には、人工知能やビッグデータなどの新興技術と深く統合され、予測の精度と適時性がさらに向上することが期待されます。

同時に、地球規模の気候変動が海洋環境に与える影響がますます大きくなるにつれて、モデルは極端な海況や海洋災害警報への対応においてもより重要な役割を果たすようになるでしょう。今後もこのテクノロジーの目が、私たちと海の旅を照らし続け、人類と海の調和ある共存を助け、ブルー開発の新たな一章を共に書き記していくと信じています。

参考文献:

1.

2. Cifu Fu;Jie Xiong;Fujiang Yu.渤海における物理学に基づくニューラルネットワークに基づく高潮予測[J].Journal of Physics: Conference Series,2024,Vol.2718: 012057