21世紀(jì)初海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

方長芳，張翔，尹建平

（海軍海洋水文氣象中心,北京 100073）

1 引言

21世紀(jì)是海洋世紀(jì)，海洋占地球表面的70%。據(jù)估計(jì)，海洋油氣儲(chǔ)備占全球總資源的34%,目前探明率為30%,尚處于勘探早期階段。豐富的油氣和礦產(chǎn)資源、重要的海上貿(mào)易運(yùn)輸通道使得各國競相爭奪海洋領(lǐng)土和海洋權(quán)益。海洋、海權(quán)和海軍是各國發(fā)展的重要方向和保障。

海洋預(yù)報(bào)是一切海上活動(dòng)的基礎(chǔ)。全球和區(qū)域海洋數(shù)據(jù)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)自20世紀(jì)90年代開始迅速發(fā)展，主要原因有以下4個(gè)。（1）海洋數(shù)值模擬技術(shù)和高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展；（2）全球海洋觀測系統(tǒng)的形成和發(fā)展，使得獲取的高質(zhì)量海洋觀測數(shù)據(jù)增多，比如ARGO、衛(wèi)星高度計(jì)等數(shù)據(jù)；（3）海洋數(shù)據(jù)同化方案技術(shù)的發(fā)展；（4）社會(huì)和軍事活動(dòng)對(duì)海洋環(huán)境信息的迫切需求驅(qū)動(dòng)著海洋分析預(yù)報(bào)技術(shù)的不斷發(fā)展。人類社會(huì)對(duì)海洋分析預(yù)報(bào)的需求包括：海洋業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)、臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)、季節(jié)和氣候預(yù)測、全球變化研究、海上航運(yùn)、漁業(yè)、目標(biāo)漂浮物的跟蹤預(yù)報(bào)、海上搜救、溢油預(yù)報(bào)、海上執(zhí)法和管理、海上石油和天然氣作業(yè)、海洋旅游等。海軍是一個(gè)國際化軍種，各個(gè)國家要求其海軍能在世界公海范圍內(nèi)自由活動(dòng)，海軍對(duì)海洋分析預(yù)報(bào)的需求有：水面艦艇的航行安全、作戰(zhàn)訓(xùn)練、武器裝備性能的發(fā)揮、維護(hù)國家海上權(quán)益、海外救援等。

1998年，國際海洋界、遙感界和氣象界聯(lián)合發(fā)起了持續(xù)10年全球海洋資料同化實(shí)驗(yàn)GODAE（1998—2008）[1]，通過國際合作和經(jīng)驗(yàn)技術(shù)交流等途徑，極大地促進(jìn)了全球海洋準(zhǔn)實(shí)時(shí)多源觀測數(shù)據(jù)集成融合技術(shù)、海洋數(shù)據(jù)同化技術(shù)和海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展。GODAE OceanView計(jì)劃（2008-）是繼GODAE之后的國際長期合作項(xiàng)目，將繼續(xù)支持海洋分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)的研發(fā)和海洋人才的培養(yǎng)。GODAE OceanView每年召開一次年會(huì)，介紹主要海洋大國海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的最新現(xiàn)狀和發(fā)展計(jì)劃。表1展示了21世紀(jì)初先進(jìn)的全球或區(qū)域海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)，海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)信息來源主要是Dombrowsky[2]和GODAE OceanView 2011年11月的年會(huì)報(bào)告[3]。少部分海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)包含的生態(tài)、生物地球化學(xué)模塊，表1沒有介紹。本論文的第二部分總結(jié)21世紀(jì)初國際海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的總體特點(diǎn)，第三部分詳細(xì)介紹各種海洋數(shù)值模式和海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)，第四部分是海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展展望。

2 21世紀(jì)初國際先進(jìn)海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的總體特點(diǎn)

2.1 海洋模式和海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)百花齊放

海洋模式是海洋數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的動(dòng)力框架和核心組成部分。海洋模式自1969年誕生起就不斷完善發(fā)展，至今已經(jīng)有40多個(gè)海洋模式[4]，包括針對(duì)不同海域（大洋、近海、近岸、港灣）和不同海洋學(xué)科（物理海洋、海洋生態(tài)、海洋化學(xué)）的海洋模式。不同海洋模式的適用海域不同，模式特點(diǎn)各不相同。常用業(yè)務(wù)化海洋模式有HYCOM、NEMO、MOM、ROMS和POM等（見表1），將在第3部分詳細(xì)介紹。全球海洋環(huán)流模式以HYCOM、NEMO和MOM為主要方向，區(qū)域海洋模式以ROMS為主，POM適合應(yīng)用在陸架或沿海，還有應(yīng)用于海峽、海灣和河口的ECOM、FVCOM和SLOSH模式等。無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格可以在海峽、海灣和河口等面積狹小的重點(diǎn)海域進(jìn)行網(wǎng)格加密，提高模式水平分辨率。

在人類社會(huì)活動(dòng)需求的驅(qū)動(dòng)下，根據(jù)所關(guān)注的預(yù)報(bào)海域和預(yù)報(bào)要素，世界各國使用各種海洋模式通過區(qū)域嵌套技術(shù)等建立了全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)、區(qū)域嵌套高分辨率海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)（見表1）以及針對(duì)海灣、河口和內(nèi)陸湖泊等的多重嵌套高分辨率海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)。歐洲國家的海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要使用其共同開發(fā)的NEMO模式，美國則主要使用HYCOM、ROMS和POM等海洋環(huán)流模式。使用NEMO模式建立的海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)有法國的Mercator系統(tǒng)、英國的FOAM系統(tǒng)、意大利的MFS系統(tǒng)、加拿大的CONCEPTS系統(tǒng)等。使用HYCOM模式建立的海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)有美國的HYCOM/NCODA系統(tǒng)和RTOFS系統(tǒng)、挪威的TOPAZ系統(tǒng)、巴西的REMO系統(tǒng)、中國的西北太平洋海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)等。

2.2 海洋模式分辨率不斷提高，預(yù)報(bào)時(shí)效一般為一周

在全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，NLOM模式的水平分辨率最高，達(dá)到1/32°；FOAM模式的垂直分辨率最高，在10 m以上的海洋近表層垂直分辨率達(dá)到1 m。加拿大基于NEMO模式在北美洲五大湖區(qū)建立了水平分辨率為2 km的區(qū)域海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)[5]。海洋模式分辨率影響對(duì)海洋環(huán)流、海洋渦旋等海洋中小尺度過程的模擬。模式各個(gè)緯度的局地水平分辨率必須等于或小于局地第一斜壓Rossby波變形半徑（緯度越高，斜壓Rossby變形半徑越小[6]）,模式才能分辨出海洋中尺度渦旋，較好地模擬海洋環(huán)流，這樣的模式稱渦旋識(shí)別模式（eddy resolving）[7]。21世紀(jì)初，渦旋識(shí)別全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)有美國的NLOM、HYCOM/NCODA、RTOFS和法國的Mercator等（見表1）。

大氣強(qiáng)迫場的預(yù)報(bào)時(shí)效影響海洋模式的預(yù)報(bào)時(shí)效。海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)時(shí)效一般是一周。美國海軍的NLOM模式可以提供海流、海洋中尺度渦等海洋中小尺度現(xiàn)象的一個(gè)月的預(yù)報(bào)。

2.3 海洋觀測系統(tǒng)和海洋數(shù)據(jù)同化技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了海洋預(yù)報(bào)的快速發(fā)展

海洋觀測資料的匱乏是制約海洋預(yù)報(bào)發(fā)展的瓶頸之一。海洋觀測數(shù)據(jù)獲取的難度高、成本大，所以海洋觀測數(shù)據(jù)稀少、時(shí)空分布不均勻。自1980年以來，海洋觀測事業(yè)得到了國際社會(huì)的重視，資金投入增多，海洋觀測技術(shù)不斷進(jìn)步：觀測資料的類型和數(shù)量不斷增多（特別是遙感資料）、時(shí)空采樣變得密集、數(shù)據(jù)質(zhì)量提高，海洋觀測數(shù)據(jù)能夠通過衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)等通信手段較快地（幾個(gè)小時(shí)或幾天之內(nèi)）傳輸?shù)綌?shù)據(jù)應(yīng)用中心，全球準(zhǔn)實(shí)時(shí)海洋觀測系統(tǒng)已經(jīng)形成[8]。海洋模式通過同化大量準(zhǔn)實(shí)時(shí)海洋觀測數(shù)據(jù)，提高了海洋預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。業(yè)務(wù)化應(yīng)用的海洋數(shù)據(jù)同化方法有松弛逼近、最優(yōu)插值、三維變分和Kalman濾波等。同化的觀測資料主要有CTD、XBT、衛(wèi)星高度計(jì)資料、Argo溫鹽剖面數(shù)據(jù)、高精度融合SST產(chǎn)品、海冰等[9]。

2.4 海洋環(huán)境多學(xué)科要素預(yù)報(bào)和海洋環(huán)境耦合模式開始繁榮發(fā)展

隨著人類開發(fā)利用海洋的腳步加快，海洋生態(tài)環(huán)境預(yù)報(bào)越來越受到重視，例如，漁業(yè)和漁業(yè)管理不僅需要物理海洋要素的預(yù)報(bào)，還需要生物地質(zhì)化學(xué)/生態(tài)要素的預(yù)報(bào)。海洋環(huán)境多學(xué)科要素預(yù)報(bào)、海洋環(huán)境耦合模式及同化技術(shù)開始繁榮發(fā)展[10]。物理海洋要素和過程（溫、鹽、密、流等）影響海洋生物地質(zhì)化學(xué)/生態(tài)過程，海洋生物地質(zhì)化學(xué)/生態(tài)過程也會(huì)影響中小尺度物理海洋過程，因此大部分生物地球化學(xué)/生態(tài)模式已經(jīng)實(shí)現(xiàn)與物理海洋模式的耦合。部分海洋模式（見表1）包含生物地球化學(xué)/生態(tài)模模塊，比如NEMO、HYCOM、ROMS和FVCOM等海洋模式。

3 海洋模式和海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)介紹

下面詳細(xì)介紹各常用海洋模式以及使用該模式建立的海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

3.1 美國海軍的NLOM和NCOM

美國海軍的全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)[11]包括海軍分層海洋模式（NLOM）、海軍近海海洋模式NCOM和HYCOM/NCODA模式系統(tǒng)，由美國海軍業(yè)務(wù)化全球大氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)（NOGAPS）的氣象輸出場驅(qū)動(dòng)。NLOM是原始方程模式，水平分辨率為1/32°，屬于渦旋識(shí)別模式，垂直分辨率比較低，只有7層，包括海洋混合層和6個(gè)拉格朗日層，在垂直方向上物理過程比較簡單。NLOM同化衛(wèi)星高度計(jì)資料和海面溫度資料，提供海面高度、海洋渦旋和海洋鋒等的30天預(yù)報(bào)。

NCOM模式是基于POM和sigma-z混合坐標(biāo)的自由表面原始方程模式。NCOM水平分辨率低于NLOM，但是垂直方向分辨率高于NLOM，垂直共分為40層，海洋上層是sigma坐標(biāo)（19層），海洋下層是z坐標(biāo)（21層）。NCOM在北極有兩個(gè)極點(diǎn)，分別在北美大陸和亞洲大陸。變量水平網(wǎng)格配置有多種選擇。NCOM在北極與海冰模式PIPS3.0相耦合。NCOM采用的數(shù)據(jù)同化方法是多變量最優(yōu)插值（MVOI）。NCOM每天做5天的三維溫鹽流預(yù)報(bào)，為沿岸區(qū)域高分辨率海洋模式提供邊界條件。NCOM可以與美國海軍海氣耦合中尺度預(yù)報(bào)模式（COAMPS）相耦合，進(jìn)行區(qū)域海氣耦合預(yù)報(bào)。

3.2 HYCOM模式和RTOFS、HYCOM/NCO DA、TOPAZ、REMO海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)

HYCOM[12]是原始方程全球海洋環(huán)流模式，采用非Boussinesq近似。海洋垂直坐標(biāo)、垂直分辨率和垂直混合參數(shù)化方案影響對(duì)海洋混合的模擬，進(jìn)而影響對(duì)海洋環(huán)流和氣候的模擬。HYCOM模式在垂直方向是混合坐標(biāo)系，在大洋內(nèi)部層化明顯的海域使用等密度面坐標(biāo)，在世紀(jì)時(shí)間尺度上保持水團(tuán)的特性；在海洋上混合層（海洋層化較弱的海域）使用具有較高垂直分辨率的z坐標(biāo)；在海洋近岸和海底地形起伏較大海域使用σ坐標(biāo)（Sigma，地形跟隨坐標(biāo)）。HYCOM具有等密度坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在海洋上混合層、海洋近岸和海底具有較高分辨率，能夠較好地模擬海洋上層。HYCOM模式有多種垂直混合參數(shù)化方案，可以為海洋上混合層和跨等密度面混合相對(duì)較弱的大洋內(nèi)部選擇不同的垂直混合參數(shù)化方案，例如KPP[13],KT[14],PWP[15],MY-2.5[16],GISS[17-18]等方案。KPP混合參數(shù)化方案[10]能參數(shù)化多種海洋物理過程對(duì)混合的影響，包括海洋內(nèi)部的內(nèi)波破碎、剪切不穩(wěn)定混合和雙擴(kuò)散（鹽指和擴(kuò)散不穩(wěn)定）、風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)、表面浮力強(qiáng)迫和對(duì)流不穩(wěn)定等，還可以對(duì)溫鹽混合的非局地影響進(jìn)行參數(shù)化[9]。

HYCOM模式是比較先進(jìn)、應(yīng)用廣泛的海洋模式（見表1），應(yīng)用于美國的RTOFS、美海軍的HYCOM/NCODA、挪威的TOPAZ、巴西的REMO和中國西北太平洋等海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)。NCEP的實(shí)時(shí)海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)RTOFS基于HYCOM海洋模式建立，包括8個(gè)分潮，水平分辨率是1/12°，垂直有32層，屬于渦旋識(shí)別模式。RTOFS可以提供水位、海流、溫度和鹽度的預(yù)報(bào)，為局地和近岸物理海洋模式、海氣耦合模式、生態(tài)地質(zhì)化學(xué)模式等提供初始場和邊界條件。RTOFS包括全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)和大西洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)，未來NCEP將實(shí)現(xiàn)HYCOM模式（RTOFS系統(tǒng)）與臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)模式HWRF和全球大氣模式GFS的耦合[19]。

美國海軍的HYCOM/NCODA業(yè)務(wù)化海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)基于HYCOM 2.2建立，在極地與海冰模式CICE耦合在一起，水平分辨率是1/12°，垂直方向是32層的混合坐標(biāo)，屬于渦旋識(shí)別模式，大氣驅(qū)動(dòng)場來自NOGAPS。HYCOM/NCODA使用的數(shù)據(jù)同化方法是三維多變量最優(yōu)插值(MVOI)。未來5年，HYCOM/NCODA業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)將使用三維變分?jǐn)?shù)據(jù)同化方法(3DVAR)，模式水平分辨率將從現(xiàn)在的1/12°提高到1/25°，模式將考慮潮汐強(qiáng)迫和波浪的作用，將實(shí)現(xiàn)HYCOM模式與CICE海冰模式、WaveWatchⅢ海浪模式的雙向耦合[20]。

挪威基于HYCOM 2.2.12在大西洋和北冰洋建立了TOPAZ區(qū)域海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)[21]，垂直方向是28層混合坐標(biāo)，每周做一次10天預(yù)報(bào)，數(shù)據(jù)同化方法是集合Kalman濾波法（100個(gè)集合成員），大氣驅(qū)動(dòng)場來自于ECMWF的T799全球大氣模式每6 h的大氣輸出場。

巴西基于HYCOM 2.2.14在大西洋和南大西洋建立了REMO海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)[22]，水平分辨率分別是1/4°和1/12°，垂直方向是21層的混合坐標(biāo)，每天做一次7天預(yù)報(bào)，使用Cooper and Haines的同化方法同化海面高度數(shù)據(jù)[23]，大氣驅(qū)動(dòng)場是NCEP的GFS模式每3 h的大氣輸出場。

3.3 NEMO模式和Mercator、FOAM、MFS、CONCEPTS海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)

NEMO海洋模式系統(tǒng)由法國、英國和意大利共同研發(fā)，應(yīng)用于27個(gè)國家的270項(xiàng)科學(xué)計(jì)劃中。本文關(guān)于NEMO模式的介紹主要來自于NEMO 2012年的用戶手冊[24]。NEMO主要包括海洋模式OPA，OPA的切線性伴隨模式TAM（用于數(shù)據(jù)同化），海冰模式LIM和海洋生物地球化學(xué)模式TOP。NEMO模式系統(tǒng)的海洋模式OPA是一個(gè)原始方程海洋環(huán)流模式，采用Bousinesq和靜力近似，正交曲線坐標(biāo)，Arakawa-C網(wǎng)格，垂直坐標(biāo)可以采用z坐標(biāo)或者S坐標(biāo)[34]。OPA海洋模式可以用于模擬預(yù)報(bào)全球和局地海洋環(huán)流，也可以用于研究海洋與大氣、海冰等之間的關(guān)系。物理過程參數(shù)化方案和數(shù)值計(jì)算算法是數(shù)值模擬技術(shù)的核心技術(shù)，OPA海洋模式有多種成熟先進(jìn)的物理參數(shù)化方案和數(shù)值計(jì)算算法供選擇。物理過程參數(shù)化方案包括海洋側(cè)向混合、垂向混合、對(duì)流、雙擴(kuò)散混合、底摩擦和潮致混合等參數(shù)化方案。垂向混合參數(shù)化方案包括KPP[13]、TKE[25]和 GLS[26]。

NEMO模式系統(tǒng)主要用于海洋業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)、海洋科學(xué)研究和氣候研究，應(yīng)用于法國的Mercator[27]、英國的FOAM[28]、意大利的MFS[29]和加拿大的CONCEPTS[5]等海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)中。Mercator和FOAM的全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)都有1/4°和1/12°兩個(gè)版本，全球1/4°版本為高分辨率區(qū)域海洋模式提供邊界條件，全球1/12°版本是渦旋識(shí)別模式，可以預(yù)報(bào)診斷海洋渦旋等；在垂直方向選用z坐標(biāo)，共50層，在海洋近表層（10 m深度以上）的垂直分辨率可以達(dá)到1 m。Mercator全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)每周一次做14天的預(yù)報(bào)，北大西洋和地中海區(qū)域模式每天一次做7天的預(yù)報(bào)；大氣驅(qū)動(dòng)場是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的每3 h的大氣輸出場。加拿大基于NEMO建立了全球（1/4°）和西北大西洋（1/12°）海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)，還在北美洲五大湖區(qū)建立了水平分辨率為2 km的海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)。意大利的地中海高分辨率海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)MFS，是歐洲海洋核心信息服務(wù)計(jì)劃（MyOcean計(jì)劃）的地中海子系統(tǒng)，水平分辨率是1/16°，垂直坐標(biāo)有72層，在海洋近表層的垂直分辨率是3 m。

Mercator和CONCEPTS系統(tǒng)現(xiàn)在使用的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)是SAM2，同化方法是奇異演化擴(kuò)展Kalman濾波法（SEEK）；MFS使用三維變分和松弛逼近法（OCEANVAR同化系統(tǒng)）；FOAM使用客觀分析校正法和三維變分法（NEMOVAR同化系統(tǒng)）。

3.4 MOM模式及其應(yīng)用

美國海洋大氣管理局地球物理流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室（GFDL）研發(fā)的模塊化海洋模式MOM[30]是自由表面原始方程海洋模式，采用非Boussinesq近似和靜力近似，垂直坐標(biāo)是z坐標(biāo)，變量空間配置采用Arakawa B網(wǎng)格。MOM采用水平正交坐標(biāo)，有三個(gè)極點(diǎn)，在北極有兩個(gè)極點(diǎn),一個(gè)在西伯利亞，另一個(gè)在北美大陸。MOM的單一z坐標(biāo)使其具有一定局限性,但也具有其他優(yōu)點(diǎn)。MOM采用非Boussinesq近似，模式動(dòng)能方程、動(dòng)量方程和物理方案基于質(zhì)量守恒框架，考慮海洋熱容量變化（steric effect）對(duì)海洋高度的影響，因此對(duì)海面高度的預(yù)報(bào)優(yōu)于采用Boussinesq近似（體積守恒）的海洋模式。此外，MOM4還考慮月球引潮力對(duì)海面高度的影響。MOM的垂直混合參數(shù)化方案有KPP、Richardson數(shù)決定的渦動(dòng)混合系數(shù)法[31]等。

MOM主要用于海洋氣候系統(tǒng)研究和海洋預(yù)報(bào)。MOM4是海氣耦合氣候模式GFDL_CM2的海洋模式，MOM3在美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心用于預(yù)測厄爾尼諾。澳大利亞的BLUElink＞全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)[32]基于MOM4p1模式建立,水平分辨率是1°，在澳洲附近海域水平分辨率是1/10°,垂直坐標(biāo)是z坐標(biāo)，共47層，海洋近表層垂直分辨率達(dá)5 m，每4天做一次7天預(yù)報(bào)。國家海洋局海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心基于MOM4建立了全球和熱帶太平洋海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)[33]。

3.5 日本的MRI.COM

日本氣象研究所海洋模式MRI.COM[33]基于原始方程，垂直坐標(biāo)是σ-z混合坐標(biāo)，共有54層，其中24層位于海洋上200 m。MRI.COM每5天做一次60天的預(yù)報(bào)，分為全球、北太平洋和西北太平洋三個(gè)區(qū)域，分辨率分別為1°、1/2°、1/10°，未來將在日本周邊再嵌套一個(gè)分辨率為2 km的預(yù)報(bào)區(qū)域。大氣驅(qū)動(dòng)場由日本氣象廳（JMA）氣候數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(JCDAS)提供，使用逐日氣候態(tài)海冰數(shù)據(jù)。使用三維變分同化船舶報(bào)、浮標(biāo)、溫鹽剖面和衛(wèi)星高度計(jì)等資料。

3.6 ROMS模式及其應(yīng)用

ROMS[34]是自由表面、原始方程海洋模式，采用Bousinesq近似和靜力近似。水平方向使用正交曲線坐標(biāo),變量空間配置采用Arakawa C網(wǎng)格,垂直坐標(biāo)采用S坐標(biāo)（Stretched Terrain-following Coordinates）。S坐標(biāo)是一種地形追隨坐標(biāo)，可以在重點(diǎn)關(guān)注海域增加分辨率，比如海洋溫躍層和海底邊界層附近，能夠較好地模擬海洋邊界層（上邊界層和底邊界層）和邊界層流。ROMS垂直混合參數(shù)化方案采用的局地閉合方案有MY-2.5[16]、TKE[25]和GLS[26]混合參數(shù)化方案，非局地閉合方案有KPP方案[13]。ROMS可以進(jìn)行四維變分和集合預(yù)報(bào)。ROMS模式系統(tǒng)的動(dòng)力框架包括四個(gè)模式：非線性模式（NLM）、切線性模式（TLM）、代表切線性模式（RPM）和伴隨模式（ADM），這四個(gè)模式可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以共同運(yùn)行。ROMS包含準(zhǔn)確高效的物理方案和數(shù)值計(jì)算方案算子，可以與生物地球化學(xué)、生物光學(xué)、沉積和海冰等模塊耦合在一起。

ROMS主要應(yīng)用于海洋近岸和河口海洋環(huán)境預(yù)報(bào)。美國海軍使用ROMS模式，以菲律賓群島為中心建立了區(qū)域海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)（100°—140°E，18°S—25°N）。邁阿密大學(xué)、NOAA和美國海軍等部門使用ROMS模式在墨西哥灣和加勒比海域建立了區(qū)域海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)。印度基于ROMS、MOM、HYCOM、Wave Watch III和WAM等海洋模式建立了印度的海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)（INDOFOS），可以提供全球、印度洋、局地海域、沿岸和定點(diǎn)的海浪、表層流、海表面溫度、混合層深度和溫躍層深度預(yù)報(bào)。

3.7 POM模式及其應(yīng)用

POM[35]是一個(gè)自由表面、三維斜壓原始方程海洋模式，采用靜力近似和Boussinesq近似，包含完整的熱力學(xué)過程。垂直坐標(biāo)是單一的σ坐標(biāo)（即地形跟隨坐標(biāo)），水平坐標(biāo)是正交曲線坐標(biāo)，變量空間配置使用Arakawa C網(wǎng)格。垂向混合系數(shù)由MY-2.5湍流閉合模型[13]確定。水平時(shí)間差分采用顯式格式；垂直時(shí)間差分采用隱式格式，垂向不受CFL條件限制，可以在海洋表層和底層提高分辨率。σ坐標(biāo)適用于地形變化顯著的海域，如河口和陸架斜坡等。湍流閉合模型與σ坐標(biāo)的完美結(jié)合，能夠使POM模式比較理想地模擬出海洋底邊界層，這對(duì)研究海岸和河口動(dòng)力過程、海洋底層水形成過程、海盆斜壓性等具有重要意義。

POM模式可以模擬海洋中的多尺度現(xiàn)象，比如河流、河口、海洋大陸架和斜坡、湖泊、半封閉海域、外海的海洋環(huán)流和海洋混合過程。POM模式被廣泛地應(yīng)用于海洋近岸、河口的海洋業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)（溫、鹽、流、水位）和研究中，應(yīng)用海域包括西北大西洋、西北太平洋、美國東海岸、墨西哥灣和哈得遜灣、北冰洋、地中海、中國近海等。國家海洋局海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心和第一海洋研究所基于POM模式建立了全球和區(qū)域海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)（見表1）[36]。

4 海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

海洋預(yù)報(bào)的發(fā)展離不開海洋科學(xué)基礎(chǔ)理論、海洋觀測、海洋資料同化、數(shù)值模擬和高性能計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有以下五點(diǎn)。

（1）高分辨率高精度海洋模式的發(fā)展

高分辨率高精度海洋模式需要準(zhǔn)確的大氣驅(qū)動(dòng)場、豐富的海洋觀測資料、先進(jìn)的海洋數(shù)據(jù)同化技術(shù)、成熟的海洋物理過程參數(shù)化方案和高性能并行計(jì)算技術(shù)等。人類社會(huì)的需求驅(qū)動(dòng)高分辨率高精度海洋模式的發(fā)展。海洋斜壓Rossby波變形半徑遠(yuǎn)小于同緯度大氣斜壓Rossby波變形半徑，因此，模擬海洋中小尺度現(xiàn)象需要更高的模式水平分辨率。高分辨率海洋模式能夠模擬預(yù)報(bào)海洋沿岸流、海洋渦旋、海洋鋒等海洋中小尺度過程。海洋中尺度渦是重要的“海洋天氣現(xiàn)象”，模擬和預(yù)報(bào)海洋渦旋是未來物理海洋模式的發(fā)展趨勢之一。模式水平分辨率的提高意味著計(jì)算量以級(jí)數(shù)倍增加，需要高性能并行技術(shù)優(yōu)化海洋模式，提高計(jì)算速度和效率。

（2）海洋觀測特別是海洋遙感的發(fā)展

21世紀(jì)初，海洋觀測有了較大發(fā)展，但是還是不能滿足海洋環(huán)境業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)的需求。海洋觀測的發(fā)展將為海洋業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)提供更加豐富準(zhǔn)確的準(zhǔn)實(shí)時(shí)觀測資料。海洋觀測數(shù)據(jù)的快速傳輸依賴于發(fā)達(dá)的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。海洋觀測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（OSE）和海洋觀測系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)（OSSE）[37]可以規(guī)劃設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)評(píng)估海洋觀測系統(tǒng)。

在全球大氣模式中，氣象衛(wèi)星遙感資料占所有同化資料的90%。海洋衛(wèi)星遙感將發(fā)展成為海洋觀測的主要手段，極大地豐富準(zhǔn)實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)來源。2020年前，中國將有18顆陸海資源衛(wèi)星在軌運(yùn)行，其中包括8顆海洋衛(wèi)星，海洋衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的業(yè)務(wù)化應(yīng)用將是重點(diǎn)研究方向。

（3）海洋數(shù)據(jù)同化技術(shù)的發(fā)展

研究同化海洋多源觀測資料特別是海洋衛(wèi)星遙感資料的數(shù)據(jù)同化方法，比如三維變分，四維變分，Kalman濾波，變分同化和集合Kalman濾波的結(jié)合方法等。大氣四維變分同化已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)化應(yīng)用，但是海洋四維變分業(yè)務(wù)化應(yīng)用困難比較大，主要原因是計(jì)算量太大。王斌等人[38]發(fā)展了后向映射四維變分法，該方法考慮了模式約束，同化后的初值場和模式協(xié)調(diào)，計(jì)算量小，不需要伴隨，協(xié)方差流依賴。

（4）海洋物理過程參數(shù)化方案的完善優(yōu)化

海洋物理過程參數(shù)化方案的優(yōu)化需要大量模擬實(shí)驗(yàn)和模式檢驗(yàn)評(píng)估反饋，根據(jù)所關(guān)注現(xiàn)象的時(shí)空尺度等特點(diǎn)的不同，同一物理過程適用的參數(shù)化方案可能也不同。海洋關(guān)鍵物理過程參數(shù)化方案主要包括：海洋中小尺度過程參數(shù)化方案、海洋垂直過程參數(shù)化方案、海洋側(cè)向混合參數(shù)化方案、潮汐潮流參數(shù)化方案、波致混合參數(shù)化方案、河口徑流參數(shù)化方案、太陽短波輻射參數(shù)化方案等。潮汐潮流參數(shù)化方案考慮太陽和月亮潮汐引潮力的影響，現(xiàn)在有的潮波模式考慮了11個(gè)分潮。作為海氣邊界層重要海洋現(xiàn)象的海浪，對(duì)于大氣海洋之間的動(dòng)量、水汽和物質(zhì)的交換起著重要作用，對(duì)于海洋混合和海流的模擬具有重要意義。太陽短波輻射對(duì)海水的輻射加熱與地理位置、海水深度、海水光學(xué)性質(zhì)、海洋生態(tài)環(huán)境等有關(guān)。Morel and Antoine的短波穿透模式[39]是常用的太陽短波輻射參數(shù)化方案，考慮了太陽短波輻射三個(gè)光譜段的衰減吸收。隨著海洋衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展，同化海洋水色衛(wèi)星遙感產(chǎn)品，可以顯著提高對(duì)太陽短波輻射加熱的模擬水平。

（5）海洋環(huán)境多學(xué)科要素預(yù)報(bào)和耦合模式的發(fā)展

地球氣候系統(tǒng)是一個(gè)多圈層相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)，海洋子系統(tǒng)起著重要作用。海洋、大氣、海浪、海冰、陸地、生態(tài)、化學(xué)等模式之間的耦合是海洋環(huán)境預(yù)報(bào)的研究熱點(diǎn)。例如，國外內(nèi)有關(guān)學(xué)者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了WRF區(qū)域大氣模式和ROMS區(qū)域海洋模式的耦合，物理海洋模式和生態(tài)模式的耦合(第2部分有介紹)，美國海軍已經(jīng)實(shí)現(xiàn)中尺度海氣耦合模式COMAPS和NCOM的雙向耦合。海洋環(huán)境耦合模式的數(shù)據(jù)同化技術(shù)也是難點(diǎn)之一。例如，海洋和大氣的時(shí)空特征尺度、模式時(shí)間積分步長和模式敏感度不一樣，使得大氣海洋耦合模式的數(shù)據(jù)同化更加復(fù)雜。

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表1 21世紀(jì)初國際先進(jìn)的海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)

續(xù)表