美國(guó)海軍海洋業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)縱覽

朱亞平，程周杰，何錫玉

（1.海軍海洋水文氣象中心，北京100161；2.航空氣象防化研究所，北京100085)

美國(guó)海軍海洋業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)縱覽

朱亞平1，程周杰2，何錫玉1

（1.海軍海洋水文氣象中心，北京100161；2.航空氣象防化研究所，北京100085)

回顧了過(guò)去幾十年美國(guó)海軍海洋學(xué)的發(fā)展歷程，介紹了海軍海洋學(xué)業(yè)務(wù)保障體系，對(duì)其科研機(jī)構(gòu)和研發(fā)機(jī)制以及業(yè)務(wù)系統(tǒng)發(fā)展特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)指出美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)和總體科研發(fā)展規(guī)劃。通過(guò)深入分析國(guó)外海洋氣象科技發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)和海洋氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)科研建設(shè)的最新成果，對(duì)我國(guó)海洋氣象事業(yè)的業(yè)務(wù)發(fā)展和科研規(guī)劃提供有價(jià)值的參考。

海軍海洋學(xué);氣象海洋;模式耦合;數(shù)據(jù)同化;集成預(yù)報(bào)

1 引言

海洋是覆蓋于地球表面的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，海洋環(huán)境狀況及其信息對(duì)海洋水文保障、海洋能資源開發(fā)等都有重要意義[1]。獲取全球海浪、大尺度海流變化、海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，開展全球和區(qū)域海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，把握海洋動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，對(duì)于國(guó)家安全、海洋軍事、全球商業(yè)、氣候變化、漁業(yè)管理等社會(huì)需求，具有非常重要的軍事和民用價(jià)值[2]。近年來(lái)，海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋防災(zāi)減災(zāi)以及海洋軍事和國(guó)家安全保障等對(duì)海洋氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和服務(wù)的要求越來(lái)越迫切[3-4]。加強(qiáng)全球氣象水文綜合的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)能力，增強(qiáng)海洋、氣象、測(cè)繪等多學(xué)科多領(lǐng)域的交叉融合，成為海洋預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。

美國(guó)海軍海洋學(xué)（Naval Oceanography）綜合戰(zhàn)力作為美國(guó)海軍全球海洋戰(zhàn)略的信息化作戰(zhàn)力量前沿，在海洋環(huán)境氣象水文信息獲取和監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)能力方面具有突出的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。上世紀(jì)70年代，美國(guó)海軍就意識(shí)到了海洋預(yù)報(bào)的重要性，隨后幾十年，美國(guó)海軍海洋學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了復(fù)雜的演變過(guò)程，其體系結(jié)構(gòu)雖不斷調(diào)整，但其遍布全球的業(yè)務(wù)保障機(jī)構(gòu)提供了非常有效地服務(wù)[5-6]，海軍獨(dú)具特色的科技研發(fā)力量也一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位。海軍的業(yè)務(wù)系統(tǒng)從最初的定性預(yù)報(bào)、區(qū)域預(yù)報(bào)發(fā)展到后來(lái)的全球和區(qū)域定量化、精細(xì)化預(yù)報(bào)[7-9]，其理論基礎(chǔ)不斷完善，信息獲取和處理手段不斷豐富，高性能計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展也使得海軍預(yù)報(bào)水平有了大幅躍升。迄今，海軍海洋學(xué)已經(jīng)拓展到沿海預(yù)報(bào)，海軍海陸空分隊(duì)、兩棲艦船登陸、水雷戰(zhàn)等作戰(zhàn)應(yīng)用領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，海軍海洋學(xué)的全球海域?qū)崟r(shí)觀測(cè)、信息獲取、數(shù)據(jù)處理、海洋氣象預(yù)報(bào)能力得到快速提升，國(guó)際優(yōu)勢(shì)地位日趨顯見。

本文參考相關(guān)文獻(xiàn)，回顧了過(guò)去幾十年美國(guó)海軍海洋學(xué)的發(fā)展歷程，介紹了海軍海洋學(xué)的保障體系，分析了其科研機(jī)構(gòu)和研發(fā)機(jī)制以及業(yè)務(wù)系統(tǒng)發(fā)展特點(diǎn)，并指出美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)和總體科研發(fā)展規(guī)劃。通過(guò)深入了解國(guó)外海洋氣象科技發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)和海洋氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)科研建設(shè)的最新成果，對(duì)我國(guó)海洋氣象的業(yè)務(wù)發(fā)展和科研規(guī)劃及海洋開發(fā)建設(shè)等提供一種思路和借鑒。

2 保障體系和流程

2.1 保障體系

海軍氣象海洋（Meteorological and Oceanog-

raphic，METOC）保障體系大致可以分為日常作戰(zhàn)業(yè)務(wù)保障和總體規(guī)劃管理及科技研發(fā)兩部分。海軍的總體規(guī)劃管理由海軍海洋學(xué)家（Oceanographer of the Navy）負(fù)責(zé)實(shí)施，其專有研發(fā)機(jī)構(gòu)包括海軍研究實(shí)驗(yàn)室（Naval Research Laboratory，NRL）、海軍研究局（Office of Naval Research，ONR）等（關(guān)于科技研發(fā)的內(nèi)容將在下文進(jìn)行論述）。美國(guó)海軍海洋學(xué)家是海軍作戰(zhàn)部氣象海洋計(jì)劃的發(fā)起者，也是海軍海洋學(xué)計(jì)劃（Naval Oceanography Program，NOP）的代表，與氣象海洋學(xué)司令部密切協(xié)作，其使命是為作戰(zhàn)用戶提供海戰(zhàn)場(chǎng)物理環(huán)境認(rèn)知，在保證作戰(zhàn)和航行安全的前提下，結(jié)合實(shí)時(shí)觀測(cè)和數(shù)值預(yù)報(bào)模式，開發(fā)環(huán)境的可變性，使海軍具備信息優(yōu)勢(shì)和海上機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力。NOP負(fù)責(zé)技術(shù)和人力資源相關(guān)工作，以滿足海軍和國(guó)防部需求，其業(yè)務(wù)部門是海軍氣象海洋司令部，負(fù)責(zé)管理NOP并直接向艦隊(duì)司令報(bào)告，這保證了海軍海洋學(xué)機(jī)構(gòu)可以直接面向保障用戶，其資金則由海軍海洋學(xué)家進(jìn)行管理。

海軍氣象海洋司令部隸屬于艦隊(duì)司令部，作為NOP的業(yè)務(wù)部門，負(fù)責(zé)海軍氣象水文業(yè)務(wù)保障，其構(gòu)成示意圖見圖1。它包括海軍海洋辦公室、艦隊(duì)數(shù)值氣象海洋中心、海軍海洋作戰(zhàn)司令部、海軍氣象海洋專業(yè)發(fā)展中心、海軍天文臺(tái)等5個(gè)下屬業(yè)務(wù)單位。

艦隊(duì)數(shù)值氣象海洋中心和海軍海洋辦公室是兩個(gè)主要的產(chǎn)品中心，分別提供定制的全球氣象和海洋預(yù)報(bào)產(chǎn)品。海軍海洋辦公室目前已經(jīng)成為國(guó)防部超級(jí)計(jì)算資源中心（DoD Supercomputing Resource Center，DSRC）的主用戶，在海洋預(yù)報(bào)的質(zhì)量和時(shí)效上都有了顯著提高。艦隊(duì)數(shù)值氣象海洋中心和海軍海洋辦公室均可以在DSRC上自主控制、運(yùn)行和監(jiān)測(cè)全球預(yù)報(bào)模式。這對(duì)于采用“in house”計(jì)算模式來(lái)講是一個(gè)根本性的變化，將有效促進(jìn)全球耦合和高分辨率系統(tǒng)的發(fā)展。

圖1 美國(guó)海軍氣象水文業(yè)務(wù)保障體系示意圖

海軍海洋作戰(zhàn)司令部是面向作戰(zhàn)直接提供保障的主要單位，由艦隊(duì)氣象中心、打擊群海洋學(xué)分隊(duì)和其它作戰(zhàn)區(qū)域司令部組成，如海軍海洋水雷戰(zhàn)中心，兩個(gè)反潛作戰(zhàn)中心。海軍海洋作戰(zhàn)司令部是全球范圍的司令部，為作戰(zhàn)單元培養(yǎng)合格的氣象觀測(cè)員，收集海洋信息，提供決策支持。一些關(guān)鍵地理位置部署了回傳（reach-back）作戰(zhàn)單元，可以很好地集中人力和專業(yè)技術(shù)用以保障作戰(zhàn)區(qū)域，如反潛、特種作戰(zhàn)和水雷戰(zhàn)等。雖然有回傳系統(tǒng)作保障，但現(xiàn)場(chǎng)保障專業(yè)技能也必不可少。打擊群海洋學(xué)分隊(duì)部署在航母和兩棲艦船等大型艦只上。另外，大量機(jī)動(dòng)環(huán)境保障分隊(duì)和小的預(yù)報(bào)單元，也提高了艦隊(duì)執(zhí)行新任務(wù)（如無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)）的保障能力。2010年成立了兩個(gè)艦隊(duì)氣象中心—諾福克和圣迭戈，分區(qū)負(fù)責(zé)實(shí)施海上航空預(yù)報(bào)。

海軍氣象海洋專業(yè)發(fā)展中心主要負(fù)責(zé)預(yù)報(bào)物

理環(huán)境的技術(shù)訓(xùn)練及人員教育培訓(xùn)。

2.2 保障流程

隨著美國(guó)海軍戰(zhàn)略發(fā)展需要，海軍海洋學(xué)的氣象水文保障體系經(jīng)歷了幾次大的變革和調(diào)整，但海軍海洋學(xué)遍布全球的分部和下屬單位仍可提供最有效的保障。圖2描述了海軍整個(gè)氣象海洋保障業(yè)務(wù)的范圍和流程，從新型傳感器、預(yù)報(bào)模式的科技研發(fā)到數(shù)據(jù)同化、模式預(yù)報(bào)和艦隊(duì)作戰(zhàn)保障。海軍研究實(shí)驗(yàn)室、海洋學(xué)家等研發(fā)部門提供的新產(chǎn)品、新技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)收集方法和預(yù)報(bào)性能，通過(guò)產(chǎn)品中心為海軍提供了有效信息。國(guó)防部和Web通信服務(wù)將預(yù)報(bào)和觀測(cè)數(shù)據(jù)分發(fā)給回傳中心，經(jīng)預(yù)報(bào)員進(jìn)一步分析，再將有價(jià)值的預(yù)報(bào)結(jié)果傳送到遍布全球的嵌入式氣象海洋分隊(duì)。

圖2 美國(guó)海軍氣象海洋保障業(yè)務(wù)范圍和流程示意圖

3 科技研發(fā)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)

美國(guó)海軍海洋學(xué)自上世紀(jì)70年代以來(lái)，在海洋物理量場(chǎng)的信息獲知及海洋預(yù)報(bào)方面已經(jīng)擁有世界領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并形成了自己獨(dú)具特色的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和研發(fā)力量。

3.1 科技研發(fā)

海軍有自己專門的科技研發(fā)機(jī)構(gòu)，如美國(guó)海軍研究局、海軍研究實(shí)驗(yàn)室、海軍空間作戰(zhàn)系統(tǒng)司令部（Space and Naval Warefare Systems Command，SPAWAR）戰(zhàn)場(chǎng)信息作戰(zhàn)計(jì)劃辦公室PMW-120，這些機(jī)構(gòu)和作戰(zhàn)部門都有深入合作。海軍研究局和海軍研究實(shí)驗(yàn)室密切協(xié)作，開展基礎(chǔ)研究，對(duì)新性能新方法進(jìn)行論證示范，通過(guò)海軍海洋學(xué)家PMW-120辦公室進(jìn)行規(guī)劃，在艦隊(duì)數(shù)值氣象海洋中心和海軍海洋辦公室兩個(gè)業(yè)務(wù)產(chǎn)品中心將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成作戰(zhàn)使用。上述過(guò)程幾乎在同一階段實(shí)施完成，確?？萍佳邪l(fā)能夠合理有效地轉(zhuǎn)化成作戰(zhàn)能力，當(dāng)然這些轉(zhuǎn)化成果的效能需要在后期作戰(zhàn)使用中進(jìn)行驗(yàn)證。業(yè)務(wù)保障的總體單位是氣象海洋司令部，它的職責(zé)是優(yōu)化作戰(zhàn)需求，在對(duì)現(xiàn)有資源充分理解的基礎(chǔ)上，針對(duì)新研或改研項(xiàng)目，為科技研發(fā)單位提供指導(dǎo)，以滿足作戰(zhàn)需求指標(biāo)。通常情況下，

正常的開發(fā)和轉(zhuǎn)化過(guò)程需要幾年時(shí)間，NOP為了縮短周期，設(shè)立了快速轉(zhuǎn)換（Rapid Transition to Production，RTP）計(jì)劃，可以在3a內(nèi)轉(zhuǎn)化為新型作戰(zhàn)使用能力。當(dāng)前RTP的重點(diǎn)項(xiàng)目包括：區(qū)域熱帶氣旋模式、風(fēng)暴引起的巨浪和強(qiáng)降水以及海洋模式四維數(shù)據(jù)同化等。

海軍擁有自己獨(dú)特的研發(fā)機(jī)制，通過(guò)管理建模監(jiān)督小組（Adm inistrative Modeling Oversight，AMOP）將METOC預(yù)報(bào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成業(yè)務(wù)應(yīng)用。AMOP既包括基礎(chǔ)和開發(fā)研究，也有新一代業(yè)務(wù)能力轉(zhuǎn)化程序。通常分為3個(gè)階段。首先，海軍業(yè)務(wù)單位就新型能力提出一系列需求，海軍研究局或海軍研究實(shí)驗(yàn)室等科研單位根據(jù)需求進(jìn)行基礎(chǔ)和開發(fā)研究，設(shè)計(jì)方案的可行性通過(guò)審查，即通過(guò)AMOP的第一個(gè)階段。在這一階段，研究機(jī)構(gòu)（如海軍研究實(shí)驗(yàn)室）和產(chǎn)品中心合作，進(jìn)行開發(fā)，并對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行充分的驗(yàn)證測(cè)試。研究人員和產(chǎn)品中心工作人員合作，制定轉(zhuǎn)化計(jì)劃，在定義功能需求、接洽方式、任務(wù)完成的時(shí)間節(jié)點(diǎn)以及如何將新系統(tǒng)適應(yīng)作戰(zhàn)環(huán)境等方面達(dá)成一致?？茖W(xué)驗(yàn)證試驗(yàn)小組由開發(fā)人員、產(chǎn)品中心科學(xué)家及外單位專家組成，對(duì)新系統(tǒng)應(yīng)用性能及滿足海軍需求的能力進(jìn)行審核批準(zhǔn)，形成驗(yàn)證測(cè)試報(bào)告（Validation Test Report，VTR）。該報(bào)告經(jīng)小組批準(zhǔn)后，系統(tǒng)進(jìn)入第二階段。開發(fā)人員和科學(xué)家聯(lián)合將系統(tǒng)裝備到產(chǎn)品中心業(yè)務(wù)應(yīng)用單位，這些產(chǎn)品制作分隊(duì)接管新系統(tǒng)，進(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)用評(píng)估，提交最后的轉(zhuǎn)化評(píng)估報(bào)告，保證新系統(tǒng)可以業(yè)務(wù)運(yùn)行，并驗(yàn)證該系統(tǒng)是否能很好地滿足最初的需求，同時(shí)將業(yè)務(wù)產(chǎn)品分發(fā)給海軍用戶。這些工作均要形成報(bào)告遞交給AMOP。批準(zhǔn)后，進(jìn)入第三階段，系統(tǒng)發(fā)布，業(yè)務(wù)運(yùn)行。

通過(guò)上述這些管理程序，所有參與者都能知曉項(xiàng)目的計(jì)劃進(jìn)程和優(yōu)先排序，科技研發(fā)部門提供了問(wèn)題的解決方法，產(chǎn)品中心和海軍用戶則對(duì)新性能也比較熟悉，能夠較快地完成計(jì)劃方案。AMOP獨(dú)特的進(jìn)程處理方式拉近了科研人員、應(yīng)用專家、發(fā)起者、管理者和用戶之間的聯(lián)系，使新型業(yè)務(wù)系統(tǒng)能夠快速滿足海軍的需求。

3.2 業(yè)務(wù)系統(tǒng)

自上世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著高性能計(jì)算機(jī)性能的提高，多模式間耦合嵌套，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)資料和衛(wèi)星、雷達(dá)等非常規(guī)觀測(cè)資料的變分同化處理，以及物理參數(shù)化過(guò)程的不斷改進(jìn)和提高，美國(guó)海軍的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的跨越式發(fā)展。

20世紀(jì)90年代，海軍海洋學(xué)家致力于全球海洋預(yù)報(bào)能力的開發(fā)，以及區(qū)域中尺度特征的識(shí)別。較早的業(yè)務(wù)系統(tǒng)包括：海軍分層海洋模式（Navy Layered Ocean Model，NLOM）和區(qū)域淺水分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Shallow Water Analysis and Forecast System，SWAFS）。NLOM用于預(yù)報(bào)中尺度特征（如渦旋），水平分辨率1/32°，垂直方向拉格朗日層6層。SWAFS則是在POM海洋模式（Princeton Ocean Model）基礎(chǔ)上形成。隨后，有了更高分辨率的全球海軍海岸模式（NavalCoastalOcean Model，NCOM），水平分辨率1/8°，垂直方向41層（Sigma和Z），可以更好地描述下墊面動(dòng)力過(guò)程，從深海延伸到大陸架。同時(shí)，大氣強(qiáng)迫是很多海洋預(yù)報(bào)模式的源，全球大氣模式海軍全球大氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Navy Operational Global Atmospheric Prediction System, NOGAPS）[10]為更高分辨率的海氣耦合中尺度預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System,COAMPS）提供邊界條件[11]。業(yè)務(wù)化運(yùn)行的全球海浪模式WW 3（WAVEWATCH III）[12]和海浪動(dòng)態(tài)模式（Wave Action Model,WAM），為近岸預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Navy Standard Surf Model，NSSM）提供邊界條件。

21世紀(jì)頭20年，多模式間的嵌套、非常規(guī)資料的數(shù)據(jù)同化，以及改進(jìn)的高分辨率和精細(xì)化預(yù)報(bào)成為主流。海軍海洋辦公室圍繞NCOM研發(fā)高分辨、快速嵌套的模式，很快將其應(yīng)用到區(qū)域和沿岸預(yù)報(bào)，為全球一些關(guān)鍵區(qū)域提供保障。近幾年，這些嵌套的海洋模式和COAMPS實(shí)現(xiàn)了一體化，同時(shí)還有海浪動(dòng)力系統(tǒng)（SimulatingWaves Nearshore，SWAN）[13]和WW 3，因此，海洋/海浪/大氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)成為完整的預(yù)報(bào)系統(tǒng)，在全球任何地區(qū)均實(shí)現(xiàn)了高分辨率預(yù)報(bào)。所有這些開發(fā)都是在地球系統(tǒng)模擬框架ESMF（The Eath System Modeling FrameWork）下實(shí)現(xiàn)的，該軟件可以耦合天氣、氣候和相關(guān)模式。表1中列出了較具代表性的2002和2014年業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)模式和數(shù)據(jù)同化技術(shù)。

總結(jié)近些年海軍海洋環(huán)境預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)發(fā)展，

其演變大體可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）多模式間嵌套，新一代嵌套模式將改進(jìn)分辨率和準(zhǔn)確率，增加物理過(guò)程的描述。目前，業(yè)務(wù)運(yùn)行的全球海洋系統(tǒng)是基于混合坐標(biāo)海洋模式（Hybrid CoordinateOcean Model，HYCOM），水平分辨率1/12°，垂直方向32層，正在研發(fā)的替代模式水平分辨率1/25°，垂直41層。Los A lamos海冰模式（Community Ice CodeE，Los A lamos Sea Ice Model，CICE）通過(guò)（Arctic Cap Now cast/Forecast System，ACNFS）提供北極海冰邊緣和厚度的預(yù)報(bào)，耦合HYCOM和CICE，嵌套在HYCOM上。全球1/25° HYCOM模式與相同分辨率的CICE整合，對(duì)潮汐的描述更加先進(jìn)。另外，全球大氣預(yù)報(bào)也由NOGAPS發(fā)展到海軍全球環(huán)境模式（Navy Global EnvironmentalModel，NAVGEM），NAVGEM提高了計(jì)算效率和網(wǎng)格分辨率，重要物理過(guò)程參數(shù)化有所改進(jìn)，并逐步投入業(yè)務(wù)使用。COAMPS-TC熱帶氣旋模式將改進(jìn)變量的靈活選取，可拓展到近岸區(qū)加強(qiáng)業(yè)務(wù)應(yīng)用[14]。與此同時(shí)，相關(guān)的研發(fā)工作也在開展，全球WW 3模式和HYCOM/CICE耦合后，將與NAVGEM做進(jìn)一步海氣耦合，形成海軍第一代地球系統(tǒng)預(yù)報(bào)能力（Naval of an Earth System Prediction Capability），這是國(guó)家地球系統(tǒng)預(yù)報(bào)能力（National Earth System Prediction Capability，N-ESPC）的重要組成部分[15]。

表1 2002年和2014年美國(guó)海軍環(huán)境預(yù)報(bào)系統(tǒng)

（2）數(shù)據(jù)同化方案不斷改進(jìn)和提高。動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)參量是形成業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)能力的核心，與過(guò)去相比，參量的處理已取得較大改進(jìn)。大氣模式數(shù)據(jù)同化從3維變分（3DVAR）發(fā)展到4維（4DVAR），COAMPS均實(shí)現(xiàn)了大氣海洋的4DVAR。另外，SWAN和COAMPS也在努力實(shí)現(xiàn)4DVAR，并且正在研發(fā)4DVAR耦合所有變量的工作。這些數(shù)據(jù)同化方案可以將傳感器獲取的數(shù)據(jù)作為連續(xù)變量進(jìn)

行處理，以提高模式的初始化。

（3）新增衛(wèi)星通道和傳感器數(shù)據(jù)可不間斷的引入到同化系統(tǒng)中。NOP對(duì)衛(wèi)星遙感大氣海洋數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的依賴性，另外，高度敏感區(qū)也需要傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。海軍研究局提倡開發(fā)水下無(wú)人設(shè)備（Unmanned Undersea Vehicles，UUVs），海洋學(xué)家發(fā)起瀕海戰(zhàn)場(chǎng)感應(yīng)融合整合（Littoral Battlespace Sensing Fusion and Integration，LBSFI）計(jì)劃。除此以外，無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicles，UAVs）和傳感器用于海面上大氣邊界層參數(shù)的獲取，可以提供重要的溫濕實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)確定表面波導(dǎo)有實(shí)際意義。未來(lái)20 a，非常規(guī)數(shù)據(jù)的應(yīng)用能力將會(huì)有所提高，如艦載雷達(dá)、UUV、UAV數(shù)據(jù)到產(chǎn)品中心的數(shù)據(jù)傳輸，并將這些數(shù)據(jù)整合到艦船上做短期分析，然后快速做出短期預(yù)報(bào)。傳感器的自動(dòng)導(dǎo)航和控制將是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

（4）預(yù)報(bào)的可信度水平正在提高，集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)將廣泛加強(qiáng)合作，不斷提高預(yù)報(bào)能力。熟知預(yù)報(bào)的可信度水平對(duì)預(yù)報(bào)員而言非常關(guān)鍵，已經(jīng)有很多集成方法提供定量信息，只要給出初始條件和強(qiáng)迫的誤差概率分布，就能夠做出環(huán)境對(duì)作戰(zhàn)影響的概率預(yù)報(bào)。2011年，多個(gè)機(jī)構(gòu)參與并啟動(dòng)了NUOPC全球大氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)（National Unified Operational Prediction Capability），在大氣海洋集合預(yù)報(bào)領(lǐng)域開展協(xié)作。海軍、空軍、美國(guó)國(guó)家海洋的大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Adm inistration, NOAA）等國(guó)家部門之間的合作將大力提高模式集合預(yù)報(bào)能力。

圖3 美國(guó)海軍環(huán)境預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展示意圖

4 發(fā)展前瞻

對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)而言，海軍海洋預(yù)報(bào)未來(lái)發(fā)展的主要方向是加強(qiáng)模式間的耦合，通過(guò)增加成員變量，改進(jìn)集合預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)效果。氣象海洋司令部制定了未來(lái)10 a的發(fā)展目標(biāo)，即多途徑耦合區(qū)域海洋氣象模式，并將其轉(zhuǎn)化為業(yè)務(wù)運(yùn)行，如海洋-海浪、海洋-海冰、大氣-海浪、大氣-海洋-海冰-海浪（見圖3）。美國(guó)海軍METOC模式是從單向耦合發(fā)展到雙向耦合的。目前，美國(guó)海軍建立了基于集合預(yù)報(bào)的大氣概率預(yù)報(bào)模型和區(qū)域海洋預(yù)報(bào)模式，未來(lái)國(guó)家地球系統(tǒng)預(yù)報(bào)能力將和海軍的應(yīng)用緊密結(jié)合，通過(guò)增加成員變量，改進(jìn)集合預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)效果。區(qū)域、沿海和全球模式的雙向耦合將會(huì)提高整體系統(tǒng)的預(yù)報(bào)性能。區(qū)域和N-ESPC模式間的耦合只是模式有效運(yùn)行的一小部分工作，最本質(zhì)的計(jì)算將是運(yùn)動(dòng)方程的前向積分。

而對(duì)于海軍海洋學(xué)家來(lái)說(shuō)，當(dāng)前制定的長(zhǎng)期目標(biāo)是N-ESPC的開發(fā)和業(yè)務(wù)運(yùn)行。N-ESPC是國(guó)家層面上規(guī)劃的預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該計(jì)劃有多家機(jī)構(gòu)參與研發(fā)，如NOAA、國(guó)防部（Department of Defense，DOD）、美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Adm inistration，NASA）、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation，NSF）、能源部（Departmentof Energy，DE）。N-ESPC通過(guò)耦合多個(gè)模式，開發(fā)無(wú)縫高效的預(yù)報(bào)模式，實(shí)現(xiàn)全球模式耦合（大氣-海洋-海浪-海冰-陸地），保證所有變量信息間的回饋機(jī)制，考慮不同動(dòng)力學(xué)環(huán)境系統(tǒng)間的相互作用。如印度洋和海上熱帶地區(qū)海洋、大氣間相互作用產(chǎn)生的Madden-Julien振蕩傳播，只有通過(guò)耦合，才能對(duì)類似的事件進(jìn)行預(yù)報(bào)[16]。海軍參與N-ESPC的目的是提供關(guān)鍵參數(shù)（如海流、熱力學(xué)結(jié)構(gòu)、海浪、海冰、大氣條件），加強(qiáng)和擴(kuò)展當(dāng)前NUOPC多模式能力，獲得更長(zhǎng)時(shí)效（超出季節(jié)預(yù)報(bào)）的預(yù)報(bào)。

5 展望

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各學(xué)科相互滲透，新理論新技術(shù)發(fā)展迅速[17]，未來(lái)海洋氣象預(yù)報(bào)員將面臨更復(fù)雜的挑戰(zhàn)，不僅需要具備多方面的知識(shí)技能，還需要綜合各種因素，做出科學(xué)預(yù)報(bào)，特別需要在概率預(yù)報(bào)和長(zhǎng)期指導(dǎo)預(yù)報(bào)上具有熟練的決策能力。對(duì)于業(yè)務(wù)部門而言，未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵部分將是海洋、大氣、陸地等多模式間的耦合，通過(guò)集合預(yù)報(bào)增加預(yù)報(bào)變量，提高海洋環(huán)境的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)能力。另外，新技術(shù)新方法的業(yè)務(wù)有效轉(zhuǎn)化能力也將是很大的挑戰(zhàn)。而對(duì)于研發(fā)部門而言，提出國(guó)家層面上的多模式耦合系統(tǒng)，進(jìn)一步開發(fā)氣候模式，通過(guò)不同模式介質(zhì)間通量的相互作用，改進(jìn)能量傳輸?shù)幕仞仚C(jī)制，將是長(zhǎng)期而又艱巨的挑戰(zhàn)。

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Overview of USnavaloperationalocean forecasting system

ZHUYa-ping1,CHENG Zhou-jie2,HEXi-yu1
(1.Marine HydrometeorologicalCenter,Beijing 100161 China;2.Institute ofAviationMeteorology,Beijing 100085 China)

The US naval oceanography have the prom inent technological advantages in the world w ide oceanic monitoring and forecasting,and the developments undergo revolutionary infrastructure changes.The naval METOC operational supportand service system are introduced,and the Science and Technology(S&T),Research and Development(R&D),the operational model systems are described,the future thrusts in Navy ocean prediction are discussed.The motivation lies in the analyses and statement in the US naval oceanography to provide the valuableand reference forournationaloceanic developmentsand programs.

NavalOceanography;METOC;Coupledmodel；dataassim ilation；ensemble forecast

P731

A

1003-0239（2015）05-0098-08

2015-02-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40805012）；中國(guó)博士后科學(xué)基金（20070420577）

朱亞平（1978-），女，工程師，主要從事衛(wèi)星遙感應(yīng)用研究。E-mail：creamyap@126.com

10.11737/j.issn.1003-0239.2015.05.012