氣象強(qiáng)迫場時(shí)間頻率對ROMS模式高分辨率數(shù)值模擬的影響分析

周立佳，黨振中，董慧超，白東宇，艾 陽

（1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018；2.海軍海洋水文氣象中心，北京 100000；3.中國人民解放軍91910部隊(duì)，遼寧 大連 116018；4.東海艦隊(duì)水文氣象中心參謀部37分隊(duì)，浙江 寧波 315122）

氣象強(qiáng)迫場時(shí)間頻率對ROMS模式高分辨率數(shù)值模擬的影響分析

周立佳1，黨振中2，董慧超3，白東宇2，艾 陽4

（1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018；2.海軍海洋水文氣象中心，北京 100000；3.中國人民解放軍91910部隊(duì)，遼寧 大連 116018；4.東海艦隊(duì)水文氣象中心參謀部37分隊(duì)，浙江 寧波 315122）

利用海洋數(shù)值模式對海洋環(huán)流、潮汐、溫鹽場等進(jìn)行模擬，是目前海洋科學(xué)研究中的重點(diǎn)方向。覆蓋渤海、黃海、東海的中國近海廣闊海域是海-氣相互作用的顯著作用區(qū)，氣象場對數(shù)值模式的驅(qū)動(dòng)對該海域模擬的效果具有顯著的影響。通過設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，在不同時(shí)間頻率氣象強(qiáng)迫場條件下，利用ROMS模式對中國近海海域的數(shù)值模擬研究進(jìn)行對比分析，為中國近海海域高分辨率海洋再分析和數(shù)值預(yù)報(bào)提供理論支持。

渤海；黃海；東海；ROMS模式；海氣相互作用

渤海、黃海和東海陸架形成寬廣的陸緣淺海，且3個(gè)海區(qū)由北向南緊靠著中國大陸[1]。渤海和黃海構(gòu)成一個(gè)淺的向東海敞開的海灣，穿過該海灣中部偏東有一個(gè)淺的海槽，它向南一直可以通至東海的沖繩海槽北端。東海大部分是一寬廣陸架，陸架北鄰黃海，東北通過朝鮮海峽（或稱對馬海峽）和日本海相接，南面通過臺(tái)灣海峽和南海相連。黃河從渤海南部流入渤海，長江則在上海附近注入東海。

海洋與大氣之間存在質(zhì)量、動(dòng)量以及熱量的輸送，例如海面風(fēng)場對海洋的強(qiáng)迫作用。海面風(fēng)場是海洋上層運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿碓?不僅直接影響海氣之間的動(dòng)量和熱量交換,而且是區(qū)域和全球海洋環(huán)流的動(dòng)力來源,維持著區(qū)域與全球的氣候,更是氣象預(yù)報(bào)和海氣相互作用研究中的重要參數(shù)[2]。廣闊的中國近海海區(qū)是典型的季風(fēng)氣候區(qū),每年的冬季多偏北風(fēng)而夏季多偏南風(fēng),春秋兩季多發(fā)生季風(fēng)的轉(zhuǎn)換,這種隨季節(jié)變化而產(chǎn)生的風(fēng)速風(fēng)向變化,導(dǎo)致中國近海受到顯著的海-氣相互作用的影響。

ROMS模式是在海洋科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛的三維、自由表面、隨底坐標(biāo)的原始方程模式。近年來，國內(nèi)外學(xué)者開始利用ROMS模式對中國近海海域進(jìn)行研究，取得了豐富的研究成果[3-5]。氣象強(qiáng)迫場的質(zhì)量是影響模式模擬效果的重要因素。本文通過設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，在不同時(shí)間頻率氣象強(qiáng)迫場條件下，利用ROMS模式對中國近海海域的數(shù)值模擬研究進(jìn)行對比分析，為中國近海海域高分辨率海洋再分析和數(shù)值預(yù)報(bào)提供理論支持。

1 ROMS模式介紹

1.1 ROMS模式框架

在本研究中，使用區(qū)域海洋動(dòng)力模式（Regional Ocean Modeling System，簡稱ROMS），ROMS模式是近年海洋科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛的三維、自由表面、隨底坐標(biāo)的原始方程模式。ROMS是由美國新澤西羅格斯大學(xué)（Rutger University）與加州大學(xué)洛杉磯分校(University of California，Los Angeles)共同研發(fā)的。ROMS模式可以進(jìn)行單獨(dú)的海洋模式計(jì)算，也可以與大氣模式等進(jìn)行耦合計(jì)算。

ROMS模式包括準(zhǔn)確、高效的物理和數(shù)值算法，生物地球化學(xué)、生物-光學(xué)、沉積物、海冰等模塊，這些模塊可以單獨(dú)模擬也可以耦合計(jì)算。同時(shí)，ROMS模式還包括幾個(gè)不同的垂向混合方案、多層擬合和網(wǎng)格方案。此外，ROMS模式包括為強(qiáng)約束變分資料同化和弱約束變分資料同化設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序，并利用驅(qū)動(dòng)程序用來檢測TLM、RPM和ADM等算法的準(zhǔn)確性。

1.2 控制方程

ROMS模式采用了Boussinesq近似和準(zhǔn)靜力近似。Boussinesq近似僅在垂直方向運(yùn)動(dòng)方程的浮力項(xiàng)中考慮水體密度差異的影響。準(zhǔn)靜力近似認(rèn)為近岸海域里的垂向尺度遠(yuǎn)小于水平尺度，即垂直壓強(qiáng)梯度力與重力平衡。ROMS模式在笛卡爾坐標(biāo)系中控制方程如下：

運(yùn)動(dòng)方程：

連續(xù)方程：

標(biāo)量（溫度、鹽度）控制方程：

狀態(tài)方程：

式中：Fu，F(xiàn)v，F(xiàn)c為強(qiáng)迫項(xiàng)；Du，Dv，Dc為擴(kuò)散項(xiàng)；f(x,y)為科氏參數(shù)；g為重力加速度；φ(x,y,z,t)為壓強(qiáng)項(xiàng)（φ=P/ρ0）。

2 模式配置

2.1 模式區(qū)域及網(wǎng)格設(shè)置

模式區(qū)域包括渤海、黃海、東海、南海東北部部分海域以及西北太平洋部分海域（116°E～137°E，18°N～42°N）。模式網(wǎng)格水平分辨率為1/24°，約3.9 km×3.9 km，總網(wǎng)格數(shù)為503×673；模式垂向分為48層，垂直方向的坐標(biāo)拉伸參數(shù)設(shè)置為θ=8.0和b=0，即在底層不進(jìn)行加密處理，而對表層進(jìn)行加密處理；模式地形最大深度設(shè)為5 000 m。地形數(shù)據(jù)為美國全國地球物理資料中心（National Geophysical Data Center，NGDC）的ETOPO2數(shù)據(jù)，水平分辨率為2’×2’。

圖1 模式覆蓋區(qū)域，包括整個(gè)東海、南海東北部部分海域以及西北太平洋部分海域（116°E～137°E，18°N～42°N）

圖2給出了東海沿28°N的緯向網(wǎng)格垂向剖面示意圖，從圖中可以看出在垂直方向?qū)Ρ韺舆M(jìn)行了加密處理，且垂向網(wǎng)格可以較好地表征地形的變化，有利于模擬潮汐與地形相互作用下內(nèi)潮產(chǎn)生時(shí)地形的強(qiáng)迫作用。同時(shí)，圖2標(biāo)注了東海的主要地形特征，自東向西依次為中國東海大陸架、沖繩海槽、琉球群島島鏈以及琉球海溝，結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn)其地形特征沿西南至東北方向分布。在東海大陸架外緣的大陸架斜坡非常陡峭，直接與北淺南深的沖繩海槽相連。沖繩海槽東南方向是琉球群島島鏈，琉球群島島嶼眾多，地形變化比較劇烈。

圖2 模式S坐標(biāo)垂向分層剖面示意圖（東海沿28°N的垂向分層(θ=8.0，b=0)，垂向共分48層）

2.2 時(shí)間步長的選取

為提高計(jì)算效率，ROMS模式采用時(shí)間分裂算法。模式將計(jì)算過程分為內(nèi)模態(tài)（斜壓積分）和外模態(tài)（正壓積分）兩個(gè)步驟分別進(jìn)行，內(nèi)外模式耦合計(jì)算。外模態(tài)采用顯式算法，根據(jù)CFL線性穩(wěn)定性條件和重力外波的波速，決定外模態(tài)計(jì)算的積分步長，所以外模態(tài)要求較小的時(shí)間步長；內(nèi)模態(tài)采用隱式算法，根據(jù)CFL線性穩(wěn)定性條件與重力內(nèi)波的波速，決定內(nèi)模態(tài)積分步長，內(nèi)模態(tài)要求的時(shí)間步長較長。本文選取的內(nèi)模態(tài)時(shí)間步長為120 s，外模態(tài)時(shí)間步長為1 s。

2.3 氣象強(qiáng)迫場

海洋與大氣之間存在質(zhì)量、動(dòng)量以及熱量的輸送，例如海面風(fēng)場對海洋的強(qiáng)迫作用。太陽輻射是海洋中能量的主要來源，但由于熱力差異的原因，導(dǎo)致大氣中的動(dòng)力和熱力物理過程為一高頻的變化過程，變化快，且變化較為劇烈；而海洋中的動(dòng)力和熱力物理過程為一低頻的物理過程，變化緩慢。模式氣象強(qiáng)迫場包括大氣對海洋強(qiáng)迫的風(fēng)場、熱通量及短波輻射等。本文設(shè)計(jì)不同時(shí)間頻率氣象強(qiáng)迫場的對比實(shí)驗(yàn)，氣象強(qiáng)迫場采用NCEP多年平均結(jié)果（1958-2008），空間分辨率為1.875°×1.875°，時(shí)間分辨率分別采用1天4次和1月1次氣象場驅(qū)動(dòng)。

2.4 潮汐驅(qū)動(dòng)

模式東、西、南、北4個(gè)邊界均設(shè)為開邊界條件。為了模擬海區(qū)真實(shí)的潮流情況，在開邊界處添加8個(gè)主要分潮的驅(qū)動(dòng)場，分別為M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1。其中半日潮有M2，S2，N2，K2（M2＞S2＞N2＞K2）；全日潮有K1，O1，P1，Q1（K1＞O1＞P1＞Q1）。其開邊界的分潮調(diào)和常數(shù)來源于OSU Tidal Data Inversion（OTIS）提供的TPXO7數(shù)據(jù)集。TPXO7數(shù)據(jù)集包含全球范圍10個(gè)分潮（M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，Mf，Mm）潮汐和潮流的調(diào)和常數(shù)，其分辨率為1/4°×1/4°，網(wǎng)格數(shù)為1 440×721。

2.5 初始場

本文使用的初始場為ECCO、WOA05和NMDIS合成的溫鹽場，其中將1月份ECCO月平均數(shù)據(jù)作為背景場，采用三維變分?jǐn)?shù)據(jù)同化方法[7-8]，依次將1月份WOA05和NMDIS的月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行同化。模式初始場的海面高度場采用ECCO數(shù)據(jù)，模式初始場的流場為靜止?fàn)顟B(tài)，在模式的積分過程中形成與模式溫鹽場相匹配的流場。最終得到模式的初始場。

3 模式驗(yàn)證

3.1 WOA13數(shù)據(jù)介紹

本文選取WOA13資料集溫度要素?cái)?shù)據(jù)對黑潮的模式模擬進(jìn)行驗(yàn)證。WOA 13（World Ocean Atlas 2013）是來自NOAA海洋數(shù)據(jù)中心氣象實(shí)驗(yàn)室的海洋氣候?qū)W數(shù)據(jù)集產(chǎn)品，時(shí)間較近，范圍遍及全球，有年平均、季節(jié)平均和月平均等不同的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，是多種數(shù)據(jù)集的整合產(chǎn)品。WOA13數(shù)據(jù)是多種實(shí)際海洋、氣象觀測數(shù)據(jù)的融合，具有較高的空間分辨率，包含5°，1°，0.25°3種不同分辨率的數(shù)據(jù)。本文選用1955—2013年季節(jié)平均網(wǎng)格溫度數(shù)據(jù)，分辨率0.25°，分析范圍在116°E～137°E，17°N～41°N之間，水層選取1～57層之間，最深深度接近6 000 m，可以滿足模式驗(yàn)證的需求。

3.2 模式輸出能量曲線

本文在真實(shí)的流場、地形以及氣象強(qiáng)迫場條件下，ROMS模式共運(yùn)行積分10 a，輸出第10年的數(shù)據(jù)變量進(jìn)行分析。模式啟動(dòng)時(shí)間為2000年1月1日0時(shí)，模式積分10 a，輸出物理量包括水平流速分量、垂向平均水平流速分量、垂向平均垂向速度分量、溫度、鹽度、密度等變量。為了驗(yàn)證模式是否達(dá)到穩(wěn)定，繪制模式積分前6年的能量曲線（見圖3）。

圖3 模式輸出能量曲線

通過對模式積分前6年的能量曲線變化規(guī)律的分析，證明模式積分至第6年時(shí)能量變化已呈現(xiàn)明顯的年周期性變化，說明模式積分6年之后已經(jīng)趨于穩(wěn)定，進(jìn)而說明模式積分第10年的數(shù)據(jù)是可用的。

3.3 模式對PN斷面溫度剖面結(jié)構(gòu)的模擬

中國近海具有明顯的大洋西邊界流的環(huán)流特征，其中黑潮是中國東部海域一支高溫、高鹽的太平洋西邊界暖流，其流速強(qiáng)勁且流向穩(wěn)定，在我國東海海域黑潮流速為40～80 cm/s，最大流速為180 cm/s。

圖4 PN斷面位置圖[6]

圖4中黑色實(shí)線為西北太平洋黑潮流軸的位置，箭頭表示黑潮流動(dòng)的方向。本文選取位于黑潮中央地段的PN斷面，對模式模擬的垂向結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。PN斷面自東海西北角長江口到東南角琉球群島呈西北、東南走向，（具體位置為西起27°30’N，128°15’E，東至30°30’N，124°30’E，與緯線的夾角為37°）。PN斷面橫切東海黑潮主干，垂直與東海黑潮主軸流速的方向。在對東海黑潮的調(diào)查研究中，PN斷面是應(yīng)用最廣泛的一個(gè)斷面，也是表征東海黑潮強(qiáng)度以及時(shí)空變化的重要標(biāo)志。

圖5 利用WOA13逐月月平均資料提取的PN斷面溫度剖面

圖5是利用WOA13逐月月平均資料提取的PN斷面溫度剖面。從中可以看出，黑潮主軸上有非常強(qiáng)的暖水，尤其是1月和4月暖水團(tuán)非常明顯，在兩側(cè)的海水有很強(qiáng)的溫度梯度，且4月份其流核結(jié)構(gòu)十分明顯，黑潮主軸的強(qiáng)度較大。7月份，海水表層的溫度都非常高，溫度梯度不是很明顯，10月份，隨著高溫水的南退，黑潮主軸的暖水特征又再次出現(xiàn)。對于PN斷面，深層水的水溫變化不是很大，全年的溫度特征都比較一致。從PN斷面的溫度結(jié)構(gòu)分析中，我們發(fā)現(xiàn)冬、春季節(jié)PN斷面流核結(jié)構(gòu)最為明顯。

圖6為模式模擬的PN斷面溫度剖面，通過與WOA13資料提取的PN斷面溫度剖面的對比可以發(fā)現(xiàn)，模式較好地模擬了PN斷面上黑潮主軸上的暖水核結(jié)構(gòu)，特別是1月和4月PN斷面上暖核結(jié)構(gòu)較為明顯，其中1月份表層水最高溫度可達(dá)22℃，4月份表層水最高溫度可達(dá)24℃。受太陽輻射的影響，7月PN斷面剖面上表層水最高溫度都高于25℃，中國近海海域處在大片的高溫區(qū)，削弱了PN斷面上的流核結(jié)構(gòu)；10月，隨著海表面溫度下降，海表面高溫區(qū)減弱，暖水核結(jié)構(gòu)再次出現(xiàn)。模式較好地模擬了PN斷面上黑潮主軸暖水核的結(jié)構(gòu)，且合理地模擬了斷面上溫度結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化特征。

模式較好地模擬了海表面溫度場的分布以及PN斷面的溫度剖面結(jié)構(gòu)，說明模式對黑潮以及中國近海的溫度結(jié)構(gòu)及環(huán)流具有較好的模擬效果。

圖6 模式模擬結(jié)果提取的PN斷面溫度剖面

4 不同氣象強(qiáng)迫場條件下模式對中國近海環(huán)流的模擬

本文從4月份海表面溫度（SST）要素出發(fā)，并與WOA13數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對不同氣象強(qiáng)迫場條件下中國近海環(huán)流的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，并探究模式氣象強(qiáng)迫場對模式結(jié)果的影響。

4.1 WOA13數(shù)據(jù)提取4月份氣候態(tài)海表面溫度

圖7給出了利用WOA13數(shù)據(jù)提取的4月份氣候態(tài)海表面溫度場。從圖中可以看出,4月份的氣候態(tài)海表面溫度(SST)具有明顯的季節(jié)特征；東海外海黑潮主軸上的暖水舌溫度明顯高于鄰近海域；受東亞冬季風(fēng)的影響，對馬暖流、黃海暖流以及中國沿岸流等中國近岸的環(huán)流較為明顯。

圖7 WOA13數(shù)據(jù)4月份氣候態(tài)海表面溫度

4.2 不同氣象強(qiáng)迫場條件下模式對海表面溫度場的模擬

為了說明模式氣象強(qiáng)迫場對模擬結(jié)果的影響，本文設(shè)計(jì)了針對氣象強(qiáng)迫場的對比試驗(yàn)。對比試驗(yàn)中模式氣象強(qiáng)迫場的驅(qū)動(dòng)頻率為1次/月，其它設(shè)置不變。圖8(a)給出了原始實(shí)驗(yàn)?zāi)M4月份的海表面平均溫度場（氣象強(qiáng)迫場的頻率為4次/d），圖8（b）給出了對比實(shí)驗(yàn)?zāi)M的4月份海表面平均溫度（氣象強(qiáng)迫場的頻率為1次/月）。

從圖8（a）中可以看到，模式較好地模擬了東海外海黑潮主軸上的暖水舌，該暖水舌自臺(tái)灣北部向東北方向發(fā)展，可以利用黑潮高溫的特點(diǎn)表征其黑潮主軸的路徑。模式較好地模擬了臺(tái)灣東北海域和吐噶喇海峽附近發(fā)生的黑潮路徑的彎曲，較為細(xì)致地模擬了黑潮路徑先向北伸，再折向東的路徑彎曲的特點(diǎn)。同時(shí)，模式對臺(tái)灣暖流、對馬暖流、黃海暖流以及中國沿岸流等環(huán)流都有較好的模擬。從圖8（b）可以看出，對比實(shí)驗(yàn)中，模式對中國近海環(huán)流的模式存在臺(tái)灣暖流異常偏強(qiáng)而中國沿岸流異常偏弱的現(xiàn)象。在對比試驗(yàn)中，氣象強(qiáng)迫場的頻率為1次/月，該氣象強(qiáng)迫場無法表征東亞季風(fēng)對海表面環(huán)流的影響，不足以反映大氣對海洋的動(dòng)力和熱力的作用和影響，造成了中國近海環(huán)流的異常。在原始模式中大氣對海洋強(qiáng)迫的風(fēng)場、熱通量及短波輻射等變量采用NCEP多年平均結(jié)果（1958-2008年），空間分辨率為1.875°×1.875°，時(shí)間分辨率為4次/d。通過對比分析可知，利用較高的空間和時(shí)間分辨率的多年平均氣候態(tài)氣象強(qiáng)迫場，可以較好地模擬真實(shí)的大氣對海洋的強(qiáng)迫作用，得到較為理想的中國近海數(shù)值模擬效果。

圖8 4月份海表面平均溫度場（SST）

5 結(jié)論

（1）通過對PN斷面溫度剖面結(jié)構(gòu)季節(jié)變化特征的提取分析，說明ROMS模式中國近海的溫度結(jié)構(gòu)及環(huán)流具有較好的模擬效果。

（2）在不同時(shí)間頻率氣象強(qiáng)迫場條件下，利用ROMS模式對渤海、黃海、東海及鄰近海域海表面溫度場的高分辨率數(shù)值模擬效果進(jìn)行對比分析，說明利用較高時(shí)間分辨率的多年平均氣候態(tài)氣象強(qiáng)迫場，可以較好地模擬中國近海海域真實(shí)的大氣對海洋的強(qiáng)迫作用，得到較為理想的模擬效果。

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Analysis on the Effects of the Climatological Forcing Frequency on High Resolution Simulation of ROMS

ZHOU Li-jia1,DANG Zhen-zhong2,DONG Hui-chao3,BAI Dong-yu2,AI Yang4
1.Dalian Naval Academy,Dalian 116018,Liaoning Province,China; 2.Naval Hydrologic Meteorological Center,Beijing 100000,China; 3.No.91910 Troops of the PLA,Dalian 116018,Liaoning Province,China; 4.The 37th Team of the Staff Department of the East China Sea Fleet Hydrologic Meteorological Center,Ningbo 315122,Zhejiang Province,China

Currently,the simulation of the sea currents,tides,temperature and salinity based on ocean data models is an important method for the research of the marine science.The Bohai Sea,Yellow Sea and East China Sea are notable regions of air-sea interaction,where climatological forcing has significant effects on the simulation of those regions.The Regional Ocean Modeling System (Roms),which is used in this paper,is a widely applied ocean model.Numerical simulation is conducted for the coastal waters of China under different conditions of time frequency climatological forcing.Through comparative analysis on different time frequency climatological forcing for Roms,this paper provides the theoretical support for numerical forecasting and simulation of the coastal waters of China.

Bohai Sea;Yellow Sea;East China Sea;ROMS;air-sea interaction

P731

A

1003-2029（2017）02-0083-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.014

2016-11-11

信號稀疏表示的廣義測不準(zhǔn)原理研究項(xiàng)目資助（61471412）

周立佳（1962-），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)檐娛潞Ｑ蟓h(huán)境作戰(zhàn)應(yīng)用。E-mail:dangazhong@163.com