海洋三維溫鹽流數(shù)值模擬研究的有關(guān)進(jìn)展和問(wèn)題

馬繼瑞，韓桂軍＊，李威，吳新榮，李冬，付紅麗，張學(xué)峰

（1.國(guó)家海洋信息中心 國(guó)家海洋局海洋環(huán)境信息保障技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300171）

1 引言

物理海洋數(shù)值模擬同海洋物理變量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)，以及基于流體動(dòng)力學(xué)等原理的理論分析與海洋過(guò)程研究被有關(guān)專家視為物理海洋學(xué)研究的三類基本科學(xué)方法。其中海洋三維溫度、鹽度和海流（簡(jiǎn)稱海洋三維溫鹽流，海流包括所謂余流和潮流）數(shù)值模擬研究，近30年在國(guó)際上發(fā)展較快。我國(guó)在有些方面取得了較大進(jìn)展，但有的研究進(jìn)展緩慢，支撐條件有限，研制的業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供的數(shù)值預(yù)報(bào)和海洋長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)變化的再分析產(chǎn)品，難以滿足越來(lái)越高的應(yīng)用需求。本文通過(guò)有限篇幅，就其使用的海洋模式和數(shù)據(jù)同化方法，以及在海洋中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)和再分析中的應(yīng)用，簡(jiǎn)述其研究有關(guān)進(jìn)展和問(wèn)題；扼要說(shuō)明提供相匹配的高性能計(jì)算機(jī)平臺(tái)支撐條件的必要性。在此基礎(chǔ)上，探討制約我國(guó)中尺度數(shù)值模擬研究發(fā)展的有關(guān)問(wèn)題。發(fā)展大范圍、時(shí)空連續(xù)的溫鹽流現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，以及衛(wèi)星測(cè)高與海面溫度遙感等海洋監(jiān)測(cè)是本研究的必要基礎(chǔ)，對(duì)此將另文討論。

2 海洋模式研究進(jìn)展

按照功能，海洋模式包括數(shù)值診斷機(jī)制模式和模擬模式，后者可用于研制數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)［1］，而前者的研究對(duì)后者發(fā)展具有重要意義。按照海洋過(guò)程的變化尺度，模擬海洋模式研究其中有兩個(gè)發(fā)展方向，一是發(fā)展氣候尺度海洋環(huán)流模式，可用于1周以上乃至年代際氣候預(yù)測(cè)，二是側(cè)重研究模擬中尺度海洋過(guò)程的海洋模式。前者的發(fā)展需要研究的科學(xué)問(wèn)題及其展望可參看Griffies等31位作者共同發(fā)表的論文［2］，本文僅限于后者。

2.1 國(guó)際海洋模式研究有關(guān)進(jìn)展及關(guān)注問(wèn)題

美國(guó)、前蘇聯(lián)以及歐洲等國(guó)家的學(xué)者早在20世紀(jì)50代就開始研制海洋模式［3］。偏微分方程數(shù)值解與計(jì)算方法的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)的問(wèn)世和不斷更新，為海洋三維溫鹽流數(shù)值模擬創(chuàng)造了條件。20世紀(jì)60年代末，美國(guó)地球物理流體動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（GFDL）研制出大洋環(huán)流模式（Ocean General Circulation Model，OGCM），推動(dòng)了基于海洋原始方程組數(shù)值解模擬世界大洋三維環(huán)流研究［4］。目前國(guó)際上先后研制并在有關(guān)學(xué)術(shù)刊物或互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布了許多多功能世界大洋和陸架區(qū)域軟件化的海洋模式（http：／／stommel.tamu.edu／～baum／ocean＿models.ht ml）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布的該類海洋模式，美國(guó)15個(gè)，德國(guó)4個(gè)，英國(guó)3個(gè)；此外日本、法國(guó)、加拿大、澳大利亞、荷蘭、比利時(shí)、瑞士、挪威等也發(fā)展了多樣化的海洋模式，并應(yīng)用于研制不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)。這些海洋模式通過(guò)推廣應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，得以不斷更新發(fā)展。其中推廣應(yīng)用較多的海洋模式包括MOM4（模塊化海洋模式4.0）、MITgc m（麻省理工學(xué)院廣義坐標(biāo)模式）、NCOM（美國(guó)海軍近岸海洋模式）、NLOM（美國(guó)海軍層化海洋模式）、MICOM（邁阿密等密度面坐標(biāo)海洋模式）、HYCOM（混合坐標(biāo)海洋模式）、FVCOM（有限體積近岸海洋模式）、POMgcs（普林斯頓大學(xué)廣義坐標(biāo)海洋模式）、ROMs（區(qū)域海洋模擬系統(tǒng)）和HANSOM（漢堡大學(xué)陸架海模式）等海洋模式。這些海洋模式采用不同物理框架，其中包括能量守恒、體積或質(zhì)量守恒，引入或不引入Boussinesq近似、湍封閉合方程，以及內(nèi)外模式分離等方案；模式垂向采用深度Z坐標(biāo)、隨地形變化及其混合坐標(biāo)，層化及其垂向混合坐標(biāo)等；對(duì)海洋模式的參數(shù)化研究發(fā)展了能夠反應(yīng)更多物理海洋過(guò)程的參數(shù)化方案，其中包括多種湍流混合、波致混合、潮混合、內(nèi)波效應(yīng)、中尺度渦混合與輸運(yùn)效應(yīng)，以及海氣通量等。此外，通過(guò)對(duì)海洋模式的不斷研究發(fā)展，拓展了模擬海洋過(guò)程空間變化多尺度功能，即不但能模擬海洋三維溫鹽流大尺度變化，還能模擬中尺度，甚至次中尺度變化。用戶對(duì)發(fā)布的各具特色和優(yōu)勢(shì)的海洋模式，可根據(jù)不同需求，通過(guò)比較研究和數(shù)值試驗(yàn)等，從中優(yōu)選適合自己要求的海洋模式，據(jù)此結(jié)合應(yīng)用實(shí)際進(jìn)行深入系統(tǒng)開發(fā)。

在上述體積或質(zhì)量守恒方面，海洋模式與大氣模式相對(duì)應(yīng)，但目前使用的大多海洋模式屬體積守恒模式，2009年GFDL發(fā)布了質(zhì)量守恒海洋模式（MOM4.1）［5］。其實(shí)海洋模式若采用壓力坐標(biāo)質(zhì)量守恒，在理論上對(duì)研究海平面變化等更合理，另一方面像CTD、Argo等浮標(biāo)溫度、鹽度和海流現(xiàn)場(chǎng)剖面觀測(cè)的各層原始數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的垂向位置本來(lái)是壓力值，采用壓力坐標(biāo)在同化觀測(cè)數(shù)據(jù)中，避免了由壓力轉(zhuǎn)換成深度造成的誤差。今后發(fā)展壓力坐標(biāo)質(zhì)量守恒海洋模式，可能成為海洋模式發(fā)展的重要方向之一。

關(guān)于上述海洋模式參數(shù)化方案，目前正在開展的大范圍、分辨中尺度或次中尺度渦的海洋三維溫鹽流數(shù)值模擬研究，大幅度提高了海洋模式分辨率，使海洋模式原有的一些參數(shù)化方案不再適應(yīng)新要求。例如海洋湍流混合是海洋模式研究的基礎(chǔ)性經(jīng)典問(wèn)題，隨著海洋模式分辨率的大幅度提高，對(duì)其參數(shù)化研究提出了更高的要求，其中渦分辨的包括表層至深層的垂向和側(cè)向湍流混合參數(shù)化方案研究成為關(guān)注的新課題，目前正在開展新的理論方法研究［6］，同時(shí)還需進(jìn)行相應(yīng)的海上觀測(cè)和反復(fù)數(shù)值試驗(yàn)。此外，海洋模式參數(shù)變化與模擬海區(qū)和時(shí)段有關(guān)，研究試驗(yàn)表明，國(guó)際發(fā)表的許多全球大洋模式，對(duì)大洋高緯度海區(qū)的數(shù)值模擬效果較差。初步分析認(rèn)為，高緯區(qū)的Rossby波變形半徑更小，中尺度渦具有更小的尺度，意味著高緯區(qū)的數(shù)值模擬本來(lái)需要更高的水平分辨率，但目前在高緯區(qū)的數(shù)值模擬分辨率一般較低，模擬效果較差的原因可能與模式的分辨率和模式參數(shù)等有關(guān)，研制新一代海洋模式應(yīng)解決此類問(wèn)題。

為有效提高海洋與大氣數(shù)值模擬效果，20世紀(jì)80年代開始發(fā)展海－氣或海－氣－冰－陸氣候尺度的耦合模式，拓展了海洋模式研究視野。目前大多海－氣耦合模式仍然屬中等程度耦合［7］，進(jìn)一步發(fā)展全耦合環(huán)流模式是今后海－氣耦合模式的重要發(fā)展目標(biāo)。目前海－氣耦合模式大多屬氣候尺度預(yù)報(bào)模式，除此之外，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）研制了海－氣耦合中尺度預(yù)報(bào)模式，于1999年進(jìn)行了再分析業(yè)務(wù)試驗(yàn)，為提高中尺度海洋天氣和三維溫鹽流數(shù)值預(yù)報(bào)保障提供了另一途徑。限于本文簡(jiǎn)述的側(cè)重點(diǎn)，對(duì)耦合模式發(fā)展不作更多介紹。

2.2 國(guó)內(nèi)海洋模式研制開發(fā)

景振華于20世紀(jì)60年代編寫了《海流原理》［8］，較早表述了與海洋三維溫鹽流數(shù)值模擬有關(guān)的海洋動(dòng)力與熱力學(xué)方程及其湍流混合等基本知識(shí)。我國(guó)對(duì)海洋模式的系統(tǒng)研制始于20世紀(jì)80年代，魏澤勛介紹了中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所（IAP）的有關(guān)專家、方國(guó)洪、馮士筰、孫文心、喬方利和周偉東等對(duì)數(shù)值模擬海洋模式的主要研究成果［9］。近幾年IAP對(duì)其海洋模式進(jìn)行過(guò)多次更新［10］；喬方利等將發(fā)展的非破碎浪致混合效應(yīng)功能模塊成功嵌入POM等推廣應(yīng)用的海洋模式，發(fā)展浪潮流耦合模式［11］；國(guó)家海洋局第二海洋研究所研制了有限元和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格海洋模式。

總體而言，我國(guó)對(duì)海洋模式的發(fā)展投入研究力量不足，尚缺乏持續(xù)、系統(tǒng)深入研究，研究進(jìn)展緩慢。對(duì)自主發(fā)展的海洋模式缺乏在業(yè)務(wù)保障系統(tǒng)研制中的推廣應(yīng)用、檢驗(yàn)和改進(jìn)，影響研究成果拓展。至今我國(guó)在研制海洋三維溫鹽流數(shù)數(shù)值預(yù)報(bào)與再分析業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，尚缺乏自主發(fā)展的適合中國(guó)近海和全球的海洋模式，與上述國(guó)際相應(yīng)研究相比，以及距離業(yè)務(wù)系統(tǒng)研制對(duì)其發(fā)展需求的差距還很大。根據(jù)我國(guó)海洋模式發(fā)展現(xiàn)狀，近幾年相關(guān)同行召開了兩次海洋模式發(fā)展研討會(huì)，并建立相關(guān)研討網(wǎng)站。目前有關(guān)單位正在研制新的海洋模式，例如中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所林一驊等和伍茲霍爾海洋研究所黃瑞新，正在合作研制壓力坐標(biāo)質(zhì)量守恒的大洋環(huán)流模式；中國(guó)海洋大學(xué)孫文心等和國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心、國(guó)家海洋信息中心在合作研制邊緣海海洋模式。

3 海洋數(shù)據(jù)同化研究進(jìn)展

3.1 國(guó)際海洋數(shù)據(jù)同化發(fā)展及關(guān)注的問(wèn)題

早期海洋數(shù)據(jù)同化研究結(jié)合海洋特征，引進(jìn)開發(fā)了大氣數(shù)值預(yù)報(bào)使用的最優(yōu)插值、傳統(tǒng)三維變分、四維變分和集合卡爾曼濾波等數(shù)據(jù)同化方法。2000年國(guó)際啟動(dòng)了全球海洋數(shù)據(jù)同化試驗(yàn)計(jì)劃（GODAE），使海洋數(shù)據(jù)同化研究得以快速發(fā)展。數(shù)據(jù)同化基于最優(yōu)化原理，其方法的發(fā)展除利用數(shù)學(xué)算法外，從物理上開展方法研究也是重要途徑。例如同化過(guò)程持續(xù)將海洋模式理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)海洋數(shù)據(jù)相結(jié)合，由于兩者的數(shù)值存在差異，將其同化會(huì)引發(fā)物理不一致性問(wèn)題，為解決這一問(wèn)題ECCO（Esti mating the Circulation and Climate of the Ocean）再分析對(duì)此進(jìn)行了較系統(tǒng)研究。海洋存在與大氣變化不同的多尺度過(guò)程，且海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)量與站次分布與大氣的存在較大差異，即海洋溫鹽剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)稀少，分布極其不均勻，或有時(shí)僅有溫度而無(wú)鹽度，此外衛(wèi)星測(cè)高監(jiān)測(cè)的是海面高度變化，卻能反應(yīng)海洋內(nèi)部動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)變化，考慮諸如此類海洋數(shù)據(jù)同化遇到的問(wèn)題，相繼發(fā)展了海洋溫鹽多變量和衛(wèi)星測(cè)高等海洋數(shù)據(jù)同化方法［12］。

需提及的是，表示海水密度或聲速與溫鹽關(guān)系的狀態(tài)方程具有較強(qiáng)的非線性特征。數(shù)據(jù)同化也是網(wǎng)格化過(guò)程。研究表明，無(wú)論是傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格化平均，還是海洋數(shù)據(jù)同化，都會(huì)引發(fā)其結(jié)果出現(xiàn)不同程度的所謂靜力不穩(wěn)定問(wèn)題，有時(shí)偏離實(shí)際數(shù)值高達(dá)20%，這樣的同化有時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響模式運(yùn)行的穩(wěn)定性或水聲信號(hào)傳播誤差。鑒于此，正在研究解決由海洋數(shù)據(jù)同化引發(fā)的靜力不穩(wěn)定問(wèn)題。其次，隨著質(zhì)量守恒海洋模式的推廣應(yīng)用，發(fā)展與質(zhì)量守恒海洋模式相匹配的海洋數(shù)據(jù)同化方法，將是海洋數(shù)據(jù)同化研究的重要課題。目前為建立高分辨率的數(shù)值模擬業(yè)務(wù)系統(tǒng)，美國(guó)等正在發(fā)展高分辨率海洋數(shù)據(jù)同化方法，且研究重點(diǎn)已由關(guān)注世界大洋轉(zhuǎn)向邊緣海。

海－氣耦合數(shù)據(jù)同化的發(fā)展增加了海洋數(shù)據(jù)同化研究?jī)?nèi)涵，并取得了一系列研究成果。目前大多海－氣耦合數(shù)據(jù)同化還主要基于中等程度的耦合模式，而基于全耦合環(huán)流模式的數(shù)據(jù)同化研究剛起步。實(shí)現(xiàn)海－氣全耦合數(shù)據(jù)同化，以及發(fā)展地球系統(tǒng)模擬的數(shù)據(jù)同化方法，將成為重要研究目標(biāo)［7］。

3.2 國(guó)內(nèi)海洋數(shù)據(jù)同化的發(fā)展

近十年我國(guó)海洋數(shù)據(jù)同化研究較活躍，形成了初具規(guī)模的研究力量，從1996年開始每年召開一次學(xué)術(shù)研討會(huì)，在加強(qiáng)自主研發(fā)的同時(shí)，重視國(guó)際學(xué)術(shù)交流和合作研究，在該領(lǐng)域取得了一系列研究成果。例如朱江等在對(duì)衛(wèi)星測(cè)高等數(shù)據(jù)同化方法進(jìn)行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，建立了基于三維變分海洋數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)［13］。王東曉等研究了多種數(shù)據(jù)同化方法，并在南海進(jìn)行了數(shù)據(jù)同化試驗(yàn)［14］。韓桂軍等根據(jù)“差分的伴隨”，建立了與非線性潮汐模型對(duì)應(yīng)的離散伴隨模型和中國(guó)近海及鄰近海域海潮模型［15］。韓桂軍和朱江等提出了一種多變量三維變分同化方法，保證模型狀態(tài)場(chǎng)訂正的一致性［16］。李威等研發(fā)了多重網(wǎng)格海洋三維變分?jǐn)?shù)據(jù)同化法［17］，已將其應(yīng)用于相應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)研制。陳海波等對(duì)伴隨數(shù)據(jù)同化等方法進(jìn)行了較系統(tǒng)研究［18］。

除上述提及的海洋數(shù)據(jù)同化研究的問(wèn)題外，作者在同化試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于海洋剖面現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)稀少，網(wǎng)格分辨率較低等原因，在進(jìn)行海洋三維數(shù)據(jù)同化時(shí)會(huì)引發(fā)虛假渦旋，經(jīng)長(zhǎng)期積分海洋深層的虛假渦旋甚至?xí)绊憳I(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。此外同化效果檢驗(yàn)表明，高緯度海區(qū)的海洋數(shù)據(jù)同化效果較差，除上述海洋模式有待改進(jìn)和海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)較少外，高緯區(qū)的海洋數(shù)據(jù)同化方法也有待深入研究。

與國(guó)際研究相比，目前我國(guó)海洋數(shù)據(jù)同化研究在某些方面尚存在一定差距，例如在解決同化引發(fā)物理不一致性問(wèn)題、衛(wèi)星測(cè)高與海洋溫鹽多變量數(shù)據(jù)同化、Argo漂流浮標(biāo)軌跡同化、大量的表面漂流浮標(biāo)測(cè)流數(shù)據(jù)同化、地波雷達(dá)測(cè)流同化，以及建立高分辨率海洋數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的同化方法等還需加強(qiáng)研究。尤其在氣候尺度和中尺度海－氣耦合數(shù)據(jù)同化，以及適合地球系統(tǒng)模擬的數(shù)據(jù)同化研究方面存在的差距較大，是我國(guó)目前海洋數(shù)據(jù)同化研究的薄弱環(huán)節(jié)。

4 高性能計(jì)算機(jī)支撐條件

對(duì)高性能計(jì)算機(jī)平臺(tái)支撐條件的要求，美國(guó)NRL等單位的11位作者撰文指出，運(yùn)行海洋三維溫鹽流數(shù)值預(yù)報(bào)模式與運(yùn)行大氣的模式相比［19］，其所需計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度要增加4個(gè)量級(jí)，存儲(chǔ)要增加3個(gè)量級(jí)，并指出目前國(guó)際上業(yè)務(wù)化全球海洋模式的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于大氣模式的重要原因之一是受計(jì)算機(jī)能力的限制。該文獻(xiàn)認(rèn)為，為提高海洋數(shù)值模擬分辨率，提供更高性能計(jì)算機(jī)平臺(tái)是非常必要的，美國(guó)海軍為此在不斷更新計(jì)算機(jī)平臺(tái)。此外，研制該類業(yè)務(wù)系統(tǒng)表明，運(yùn)行復(fù)雜的海洋數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)與運(yùn)行海洋模式相比，前者所占用的計(jì)算機(jī)時(shí)間，要比后者的多得多。相比之下，目前我國(guó)海洋領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)性能較低，是造成下述我國(guó)數(shù)值預(yù)報(bào)和再分析產(chǎn)品分辨率較低、區(qū)域覆蓋范圍有限的重要原因之一。

5 海洋數(shù)值預(yù)報(bào)和再分析等的應(yīng)用研究進(jìn)展和關(guān)注的問(wèn)題

5.1 國(guó)際應(yīng)用研究進(jìn)展和關(guān)注的問(wèn)題

規(guī)?；暮Ｑ笕S溫鹽流數(shù)值模擬應(yīng)用研究主要體現(xiàn)在數(shù)值預(yù)報(bào)和包括再分析在內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)值分析產(chǎn)品研發(fā)方面。該模擬研究初期，受計(jì)算機(jī)等條件限制，海洋模式水平分辨率一般為（1／4）°～1°，甚至更低，僅能模擬海洋大尺度環(huán)流。海洋實(shí)際存在相互作用的多尺度過(guò)程，因?yàn)殛P(guān)注的海洋現(xiàn)象越來(lái)越細(xì)，進(jìn)一步提高模式空間分辨率成為重要發(fā)展方向。關(guān)于海洋模式分辨率問(wèn)題，上述Robert等11位作者的文獻(xiàn)還指出［19］，海洋具有與大氣明顯不同的水平變化尺度，大洋的中尺度渦直徑一般約為100 k m，僅相當(dāng)于大氣高壓區(qū)和低壓區(qū)的1／20～1／30，即海洋三維溫鹽流的水平變化尺度要比大氣小得多，因此其數(shù)值模擬的水平分辨率也應(yīng)比大氣的高得多。還指出有確鑿證據(jù)表明，將海洋模式水平分辨率提高到網(wǎng)格點(diǎn)跨度為3.5 k m時(shí)，會(huì)大大提高海洋模式模擬精度，但如果再將其分辨率提高到1.7 k m，其收效不明顯。

早在20世紀(jì)80年代初，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室（NRL）就著手研制全球大洋與邊緣海三維溫鹽流實(shí)時(shí)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并發(fā)展了能夠?qū)⑿l(wèi)星監(jiān)測(cè)的海面變化信息投影到海洋下層的模塊化海洋數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（MODAS）［20］。由于受計(jì)算機(jī)條件限制，為保障海洋模式分辨率，研制業(yè)務(wù)系統(tǒng)采用了雙模式或多模式嵌套技術(shù)。2000年其業(yè)務(wù)化的全球海洋模式水平分辨率已達(dá)到（1／16）°。在海洋三維水體動(dòng)力與熱力和水聲環(huán)境業(yè)務(wù)保障需求的推動(dòng)下，其數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)不斷更新，實(shí)現(xiàn)了多區(qū)域、多模式嵌套、多分辨率，以及快速可重新定位的業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)。其水平分辨率高達(dá)（1／32）°～（1／64）°，能夠分辨大洋中尺度渦，甚至次中尺度渦。此外，值得關(guān)注的是，為進(jìn)一步提高海洋中尺度模擬效果，美國(guó)海軍還于20世紀(jì)末研制了海－氣耦合中尺度預(yù)報(bào)系統(tǒng)［21］，目前已多次更新，研發(fā)出新型的高分辨率業(yè)務(wù)保障系統(tǒng)。

海洋再分析方面，美國(guó)等從20世紀(jì)90年代末實(shí)施了海洋再分析計(jì)劃，研制發(fā)布了ECCO、SODA（Simple Ocean Data Assimilation）等全球海洋再分析產(chǎn)品。歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）、法國(guó)的MERCATOR、英國(guó)的FOAM，以及澳大利亞的BLUElink等均實(shí)施了海洋再分析研究計(jì)劃，相繼研發(fā)了海洋再分析產(chǎn)品。此外，日本基于OGCM海洋模式，利用有關(guān)天氣驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，研發(fā)了OFES（OGCM for the Earth Simulator）長(zhǎng)時(shí)間序列的海洋數(shù)值分析產(chǎn)品［22］，其水平分辨率可達(dá)0.1°，只是目前尚未見到其采用數(shù)據(jù)同化方法研制的再分析產(chǎn)品。

5.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用研究進(jìn)展及存在的有關(guān)問(wèn)題

在海洋三維溫鹽流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)研制方面，國(guó)家海洋局第一海洋研究所、國(guó)家海洋信息中心與有關(guān)單位合作、國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心、中國(guó)海洋大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，以及國(guó)家海洋局有關(guān)分局等單位相繼開展了有關(guān)區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)研究，取得了相應(yīng)階段性研究成果。對(duì)海洋三維溫鹽流歷史變化的數(shù)值模擬研究，中國(guó)海洋大學(xué)于20世紀(jì)70年末代模擬了黑潮及其鄰近海域三維海流季節(jié)變化。國(guó)家海洋局第二海洋研究所等單位模擬了陸架環(huán)流［23］等。我國(guó)的海洋再分析研究起步較晚，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所研制發(fā)布了“亞印太交匯區(qū)”和赤道太平洋海洋再分析產(chǎn)品。國(guó)家海洋信息中心建立了海洋再分析系統(tǒng)，于2010年發(fā)布了中國(guó)近海及其鄰近海域再分析產(chǎn)品，現(xiàn)已研制出該海域和全球海洋50余年再分析產(chǎn)品。國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心研制了西北太平洋海洋再分析產(chǎn)品。中國(guó)海洋大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院海洋研究所、中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所等單位也開展了海洋再分析研究。

與國(guó)際應(yīng)用研究相比，我國(guó)在海洋三維溫鹽流數(shù)值預(yù)報(bào)或再分析業(yè)務(wù)應(yīng)用研究方面，研究大范圍海區(qū)的空間分辨率一般較低。有的數(shù)值模擬誤差較大，甚至在數(shù)值模擬結(jié)果中大的環(huán)流變化趨勢(shì)還存在問(wèn)題。初步分析認(rèn)為，除上述在海洋模式、海洋數(shù)據(jù)同化方法，以及科技支撐條件方面存在的差距和問(wèn)題外，模擬效果欠佳還可能與下述問(wèn)題有關(guān)：以數(shù)值預(yù)報(bào)為例，其過(guò)程是通過(guò)海洋數(shù)據(jù)同化不斷將海洋模式模擬結(jié)果與海洋觀測(cè)結(jié)果相同化，從而形成模式預(yù)報(bào)初始場(chǎng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，因此海洋模式本身的模擬效果至關(guān)重要，它是數(shù)據(jù)同化和數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)研制的重要基礎(chǔ)之一。為獲得理想海洋模式模擬效果，首先需結(jié)合陸架海和大洋的變化特征，研究解決上述海洋模式湍混合等參數(shù)化、地形或潮混合等效應(yīng)，或引入合理準(zhǔn)確的開邊界條件等關(guān)鍵技術(shù)。海洋模式從靜止?fàn)顟B(tài)開始輸入氣候態(tài)溫鹽統(tǒng)計(jì)值和相應(yīng)大氣驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，需進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，優(yōu)化海洋模式諸參數(shù)和開邊界條件等。據(jù)此將海洋模式積分若干年，足以使海洋模式運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定，動(dòng)力與熱力過(guò)程相互適應(yīng)，并分析檢驗(yàn)海洋模式對(duì)氣候態(tài)三維溫鹽流的模擬效果，這一步稱之為海洋模式氣候態(tài)適應(yīng)性積分模擬。在此基礎(chǔ)上，再輸入逐日有關(guān)時(shí)次的天氣驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，積分一段時(shí)間，使模式動(dòng)力與熱力過(guò)程再相適應(yīng)，繼而利用逐日天氣驅(qū)動(dòng)場(chǎng)運(yùn)行海洋模式，獲得類似上述OFES分析產(chǎn)品，并檢驗(yàn)其對(duì)逐日海洋三維溫鹽流模擬效果，這一步稱其為海洋模式逐日積分模擬。如果經(jīng)檢驗(yàn)這兩步積分模擬效果均較理想，可由此開始數(shù)據(jù)同化試驗(yàn)。但若檢驗(yàn)這兩步積分中效果欠佳，則需重新調(diào)試積分，直到兩步模式積分模擬效果均達(dá)到要求，才開始數(shù)據(jù)同化試驗(yàn)。根據(jù)海洋模式開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，如果上述關(guān)鍵技術(shù)未能很好解決，或海洋模式這兩步積分，尤其是第一步積分時(shí)間較短，模式運(yùn)行尚未達(dá)到穩(wěn)定就開始第二步，或輸入的氣候態(tài)溫鹽統(tǒng)計(jì)值缺乏代表性，則難以獲得基于海洋模式的理想模擬效果，必然影響之后的同化結(jié)果。對(duì)海洋數(shù)據(jù)同化的調(diào)試，開始正式預(yù)報(bào)前需進(jìn)行同化試驗(yàn)，檢驗(yàn)同化試驗(yàn)效果。如果同化方法使用的參數(shù)或設(shè)計(jì)方案等不合理，或需同化的各種現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不齊全，或數(shù)據(jù)質(zhì)量存在問(wèn)題，也必然影響預(yù)報(bào)效果。對(duì)海洋模式兩次積分和同化試驗(yàn)效果檢驗(yàn)的依據(jù)是海洋多年歷史觀測(cè)氣候態(tài)統(tǒng)計(jì)結(jié)果、海洋實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以及多年區(qū)域海洋學(xué)調(diào)查研究成果。預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)初步建立后，還需要對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)長(zhǎng)期試運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào)效果評(píng)估檢驗(yàn)，投入力量，維護(hù)和更新業(yè)務(wù)系統(tǒng)。若對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)未經(jīng)長(zhǎng)期試運(yùn)行效果評(píng)估檢驗(yàn)，不會(huì)冒然將其投入業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)保障。建立該數(shù)值模擬業(yè)務(wù)化系統(tǒng)，如果上述步驟不完整，或積分與檢驗(yàn)不到位，則難以獲得較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)效果。此外，目前海洋領(lǐng)域尚缺乏可靠的地形數(shù)據(jù)、高分辨率的海面風(fēng)和計(jì)算海氣通量參數(shù)需要的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，以及再分析產(chǎn)品，這些因素也會(huì)影響該數(shù)值模擬業(yè)務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量。

6 結(jié)語(yǔ)

海洋三維溫鹽流數(shù)值模擬研究近30年國(guó)際上取得了突破進(jìn)展，其中大范圍、渦分辨的高分辨率海洋三維溫鹽流數(shù)值模擬研究是國(guó)際前沿課題之一，正在研究解決提出的新問(wèn)題。我國(guó)開展了上述有成效的研究，取得的研究成果為今后發(fā)展奠定了一定基礎(chǔ)；但尚存在上述諸多問(wèn)題，與國(guó)際相比，有的理論方法研究水平差距較大。此外，數(shù)值模擬研究的終極目的是研制出海洋三維溫鹽流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提供可靠的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，并研制出能夠?yàn)閺V大用戶提供信息服務(wù)的海洋再分析產(chǎn)品，但目前研制的業(yè)務(wù)系統(tǒng)難以滿足海洋環(huán)境保障和海洋多尺度過(guò)程等科學(xué)研究越來(lái)越高的需求，成為物理海洋數(shù)值模擬應(yīng)用研究的薄弱環(huán)節(jié)，因此有必要加強(qiáng)該研究。近期地球科學(xué)領(lǐng)域正在推動(dòng)地球系統(tǒng)模擬器計(jì)劃，海洋三維溫鹽流數(shù)值模擬研究如同大氣的研究，是發(fā)展地球系統(tǒng)模擬器計(jì)劃的重要基礎(chǔ)之一，系統(tǒng)深入開展本研究，有助于這一計(jì)劃的實(shí)施。

致謝：10位專家對(duì)本文提出了寶貴意見和中肯建議，對(duì)全文進(jìn)行了修改，有的還提供了其發(fā)表的論文以及大量國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn)或相關(guān)網(wǎng)頁(yè)，謹(jǐn)致謝忱！

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