東中國(guó)海水動(dòng)力短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)建及適用性研究?

庹文豪，榮增瑞,??，于曉林

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

東中國(guó)海地處西北太平洋，是世界上最寬闊的陸架邊緣海之一，受黑潮、臺(tái)灣暖流、對(duì)馬暖流、近岸沿岸流等多重流系的影響，水動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜[1-4]。近年來(lái)受人類活動(dòng)和自然變化的共同影響，東中國(guó)海局部海域的生態(tài)環(huán)境惡化，赤潮、缺氧災(zāi)害頻發(fā)，海上污染事件也時(shí)有發(fā)生[5-6]。此外，綠潮自2008年以來(lái)連續(xù)13年影響南黃海和山東近海，嚴(yán)重威脅區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和漁業(yè)資源安全乃至人類健康，制約了經(jīng)濟(jì)可續(xù)發(fā)展。發(fā)展水動(dòng)力預(yù)報(bào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)近海環(huán)境的實(shí)時(shí)模擬及預(yù)報(bào)，是了解海洋生態(tài)災(zāi)害和海上災(zāi)害防控的重要基礎(chǔ)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相繼發(fā)展了多尺度的海洋模擬預(yù)報(bào)系統(tǒng)。如美國(guó)國(guó)家海洋伙伴NOPP(National Oceanographic Partnership Program)計(jì)劃發(fā)展了HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model)全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)，每天1次給出全球未來(lái)7天的水動(dòng)力預(yù)報(bào)。法國(guó)的Mercator和英國(guó)的FOAM(Forecasting Ocean Assimilation Model)全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供1/12(°)渦旋識(shí)別模式數(shù)據(jù)，以及為區(qū)域模式提供邊界條件的1/4(°)數(shù)據(jù)[7-8]。日本建立了MRICOM預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提供全球、北太平洋、西北太平洋1(°)、1/2(°)、1/10(°)每5天一次的60天預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)[9]。對(duì)于陸架近海，O’Dea等[10]在歐洲西北大陸架建立了業(yè)務(wù)海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)近陸架海域業(yè)務(wù)系統(tǒng)中難以廣泛應(yīng)用數(shù)據(jù)同化的問(wèn)題。Marta-Almeida等[11]針對(duì)巴西東南部建立了自動(dòng)化海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)，每天提供5天的水動(dòng)力預(yù)報(bào)。Peng等[12]建立了美國(guó)舊金山灣海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提供海灣附近的水文預(yù)報(bào)。中國(guó)在海洋預(yù)報(bào)方面也取得了較大進(jìn)展。如沈紅等[13]基于POMgcs模式建立了中國(guó)海及鄰近海域三維溫鹽流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，每天自動(dòng)進(jìn)行7天的水動(dòng)力預(yù)報(bào)。Wang等[14]以ROMS模式為基礎(chǔ)發(fā)展了南海海流預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)溫鹽及海平面進(jìn)行預(yù)報(bào)。

目前，中國(guó)建立的大部分區(qū)域或近岸海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)仍多使用氣候態(tài)海洋邊界，或使用國(guó)外開(kāi)源的大氣與海洋模式預(yù)報(bào)強(qiáng)迫。海洋與大氣之間的協(xié)調(diào)一致性如何還不明確，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性也難以保證。近年來(lái)，中國(guó)正在加快研發(fā)適合于中國(guó)及周邊海域的“兩洋一?！焙Ｑ?大氣耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)同化、國(guó)產(chǎn)眾核適用模擬方面取得了多項(xiàng)自主成果，在臺(tái)風(fēng)的模擬預(yù)報(bào)方面已經(jīng)體現(xiàn)出良好的優(yōu)越性[15]?；诖?，發(fā)展降尺度預(yù)報(bào)技術(shù)，建立降尺度的東中國(guó)海水動(dòng)力預(yù)報(bào)系統(tǒng)，研究耦合預(yù)報(bào)結(jié)果在區(qū)域海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中的適用性，對(duì)區(qū)域的動(dòng)力和生態(tài)災(zāi)害預(yù)警和防控具有重要意義。本文基于“兩洋一?！瘪詈项A(yù)報(bào)系統(tǒng)，構(gòu)建東中國(guó)海降尺度預(yù)報(bào)系統(tǒng)框架，對(duì)比分析預(yù)報(bào)模式對(duì)海洋-大氣耦合預(yù)報(bào)強(qiáng)迫和非耦合海洋、大氣強(qiáng)迫的敏感性，為理解和改進(jìn)預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 模式與數(shù)據(jù)

本文使用的數(shù)值模式是東中國(guó)海ROMS海洋模式(見(jiàn)圖1)，由Rong等[16]開(kāi)發(fā)并用于研究潮汐對(duì)長(zhǎng)江沖淡水的影響。Rong等[16]和Li等[17]驗(yàn)證了模式對(duì)東中國(guó)海潮波-潮流系統(tǒng)的模擬能力，Guo等[18]進(jìn)一步驗(yàn)證了模式對(duì)溫鹽和長(zhǎng)江沖淡水的模擬能力。模式采用非等距曲線網(wǎng)格，計(jì)算范圍包括長(zhǎng)江口和渤、黃、東海，在東海陸架區(qū)分辨率較高，可達(dá)2～3 km，向外海逐漸增加至約10 km。模式水平網(wǎng)格數(shù)為362×242，垂直方向采用s坐標(biāo)，共20層，垂直方向的坐標(biāo)拉伸系數(shù)θs=5，θb=0.4。模式開(kāi)邊界對(duì)水位使用Chapman邊界條件，對(duì)二維流場(chǎng)使用Flather邊界條件，對(duì)三維流場(chǎng)使用的是Radiation邊界條件，模式的其它參數(shù)配置可參見(jiàn)Rong等[16]和Guo等[18]。

(每隔5條畫(huà)一條線。等深線以米為單位。For visual clarity, only selected grid lines(1 out of 5)are showed.Bathymetry contours are given in meters.)

基于東中國(guó)海ROMS海洋模式，本文將構(gòu)建東中國(guó)海水動(dòng)力短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)。系統(tǒng)使用的海洋和大氣強(qiáng)迫為“兩洋一?！瘪詈项A(yù)報(bào)系統(tǒng)(APRCP：Asia-Pacific Regional Coupled Prediction System)的預(yù)報(bào)結(jié)果[19]。APRCP耦合預(yù)報(bào)模式的網(wǎng)格范圍為25°S—66°N，30°E—187°E，其中大氣模式為WRF(Weather Research and Forcasting Model)，海洋模式為ROMS(Regional Ocean Modeling System)，大氣模式水平分辨率為27 km，海洋模式水平分辨率9 km(見(jiàn)圖2)，模型每天預(yù)報(bào)1次，給出未來(lái)18天的海洋和大氣預(yù)報(bào)結(jié)果。APRCP耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)中海洋-大氣耦合方式為海洋向大氣提供海表面溫度(SST)作為大氣的下界面邊界條件，大氣向海洋提供的海表面通量(短波輻射、凈熱通量等)作為強(qiáng)迫場(chǎng)，該模式將高分辨率耦合模式與精細(xì)化觀測(cè)信息的結(jié)合，同化了眾多開(kāi)源和自主觀測(cè)資料，實(shí)現(xiàn)了高分辨率和高頻的區(qū)域耦合模擬、同化及預(yù)報(bào)[19]。本研究使用APRCP的海洋和大氣預(yù)報(bào)結(jié)果作為東中國(guó)海預(yù)報(bào)模式的海洋和大氣強(qiáng)迫。對(duì)于大氣強(qiáng)迫，由于東中國(guó)海ROMS模式使用塊體公式(COARE-3.0)計(jì)算海氣熱通量，使用的APRCP大氣強(qiáng)迫變量包括海面氣溫、海面氣壓、相對(duì)濕度、降雨、海面10 m風(fēng)速和長(zhǎng)波輻射通量，時(shí)間頻率是6 h；對(duì)于海洋開(kāi)邊界，需要用到APRCP海洋模式預(yù)報(bào)的溫度、鹽度、海面高度、三維流場(chǎng)，時(shí)間頻率是6 h。

圖2 “兩洋一?！眳^(qū)域耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算區(qū)域

為了對(duì)比分析海洋-大氣耦合預(yù)報(bào)強(qiáng)迫的適用性，本研究還構(gòu)建了非耦合的海洋和大氣強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)的東中國(guó)海水動(dòng)力預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其中海洋邊界強(qiáng)迫使用的是HYCOM全球海洋預(yù)報(bào)結(jié)果，上邊界大氣強(qiáng)迫使用的是GFS全球大氣預(yù)報(bào)結(jié)果。HYCOM全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)使用垂向混合坐標(biāo)，每天預(yù)報(bào)一次給出未來(lái)7天的預(yù)報(bào)結(jié)果，目前實(shí)時(shí)更新的GOF 3.1全球數(shù)據(jù)始于2014年，提供3 h間隔數(shù)據(jù)，包括溫、鹽及海表面高度等，數(shù)據(jù)水平分辨率在40°S—40°N區(qū)間，為0.08(°)×0.08(°)，其余區(qū)域?yàn)?.08(°)×0.04(°)。GFS全球大氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)的動(dòng)力核心為立方球有限體積模型(FV3)，是美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)推出的全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)計(jì)算模式，每天4次給出未來(lái)16天的預(yù)報(bào)結(jié)果，水平分辨率為0.25°。本研究使用了GFS大氣預(yù)報(bào)模式00Z時(shí)刻的預(yù)報(bào)場(chǎng)區(qū)驅(qū)動(dòng)海洋模式進(jìn)行預(yù)報(bào)計(jì)算，使用00Z、06Z、12Z、18Z時(shí)刻的分析場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，相關(guān)變量與APRCP相同；使用HYCOM的分析場(chǎng)和預(yù)報(bào)場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)的分析和預(yù)報(bào)計(jì)算，包括溫度、鹽度、海面高度和三維流場(chǎng)。

本研究的驗(yàn)證分析主要使用海表面溫度(SST)和海平面異常(SLA)資料。SST數(shù)據(jù)使用NOAA提供的SST最優(yōu)插值日平均數(shù)據(jù)OISST-V2，該數(shù)據(jù)融合了不同平臺(tái)，包括衛(wèi)星、船舶、浮標(biāo)和Argo浮標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25(°)×0.25(°)。SLA數(shù)據(jù)由CMEMS(Copernicus Marine Environment Monitoring Service)提供，該數(shù)據(jù)由法國(guó)衛(wèi)星海洋學(xué)存檔數(shù)據(jù)中心AVISO(Archiving Validetion and Inter Pretation of Satellite Oceanographic Data)發(fā)布的多任務(wù)高度計(jì)數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)DUACS(Data Unification and Altimeter Combination System)處理得到，融合了包括JASON-3、SENTINEL-3A、HY-2A等多個(gè)高度計(jì)的測(cè)高產(chǎn)品，空間分辨率為0.25(°)×0.25(°)。

2 東中國(guó)海水動(dòng)力短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)的構(gòu)建和驗(yàn)證

2.1 預(yù)報(bào)系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

APRCP海洋-大氣耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的CFSv2預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，同化的海洋數(shù)據(jù)主要有OSTIA(Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis)衛(wèi)星觀測(cè)海表溫度數(shù)據(jù)、AVISO提供的海表面高度數(shù)據(jù)和Argo浮標(biāo)溫鹽資料等，同化的大氣數(shù)據(jù)主要包括全球通訊系統(tǒng)GTS觀測(cè)數(shù)據(jù)集和衛(wèi)星觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)資料等。系統(tǒng)2016年啟動(dòng)運(yùn)行，2018年開(kāi)始進(jìn)行準(zhǔn)業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)，同化模塊每24 h進(jìn)行一次觀測(cè)資料同化，每天1次給出未來(lái)18天的預(yù)報(bào)結(jié)果。

本文在APRCP耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上首先構(gòu)建了東中國(guó)海短期預(yù)報(bào)的流程，預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用“后報(bào)-預(yù)報(bào)循環(huán)計(jì)算”設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖3)：預(yù)報(bào)系統(tǒng)在每日預(yù)報(bào)之前，對(duì)前一日進(jìn)行“后報(bào)”，“后報(bào)”使用的海洋和大氣強(qiáng)迫均為當(dāng)前可獲得的最佳分析場(chǎng)，即APRCP啟動(dòng)每批次預(yù)報(bào)前的同化分析場(chǎng)。預(yù)報(bào)計(jì)算在前一日“后報(bào)”的基礎(chǔ)上熱啟動(dòng)，對(duì)未來(lái)7天的海洋動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行短期預(yù)報(bào)?！昂髨?bào)-預(yù)報(bào)循環(huán)計(jì)算”的優(yōu)勢(shì)之一是后報(bào)和預(yù)報(bào)二者相對(duì)獨(dú)立，后報(bào)模擬可以持續(xù)、獨(dú)立執(zhí)行并進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，體現(xiàn)了模塊設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。優(yōu)勢(shì)之二是預(yù)報(bào)計(jì)算總是由當(dāng)前最優(yōu)初始場(chǎng)啟動(dòng)，預(yù)報(bào)結(jié)果不參與后續(xù)預(yù)報(bào)。基于上述設(shè)計(jì)思路，本文基于Python語(yǔ)言編寫(xiě)了相關(guān)功能模模塊，包括“氣象與海洋信息預(yù)處理模塊”、“后報(bào)-預(yù)報(bào)循環(huán)計(jì)算”控制模塊等，實(shí)現(xiàn)了東中國(guó)海水動(dòng)力短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)的準(zhǔn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行，系統(tǒng)自2019年4月1日啟動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)行良好。

圖3 東中國(guó)海水動(dòng)力短期預(yù)報(bào)流程

此外，本文同步運(yùn)行了HYCOM海洋預(yù)報(bào)和GFS大氣預(yù)報(bào)驅(qū)動(dòng)的非耦合強(qiáng)迫東中國(guó)海短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)(ECS-HYCOM+GFS)，與基于APRCP海洋-大氣耦合預(yù)報(bào)的東中國(guó)海短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)(ECS-APRCP)對(duì)比分析，研究析耦合預(yù)報(bào)強(qiáng)迫的適用性和模式對(duì)外強(qiáng)迫變化的敏感性。由于仍缺乏大量的觀測(cè)資料，與ECS-HYCOM+GFS的對(duì)比某種程度上可以揭示ECS-APRCP的模擬能力和模式敏感性。

2.2 預(yù)報(bào)模擬驗(yàn)證

本研究重點(diǎn)分析耦合預(yù)報(bào)在東中國(guó)海短期預(yù)報(bào)中的適用性以及模式對(duì)耦合強(qiáng)迫和非耦合強(qiáng)迫的敏感性，因此選取 “后報(bào)-預(yù)報(bào)”循環(huán)計(jì)算部分的“后報(bào)”進(jìn)行分析，分析時(shí)段為2019年4月1日—2020年6月1日。圖4顯示了模擬時(shí)段內(nèi)觀測(cè)與模擬SST的相關(guān)系數(shù)的空間分布，二者具有良好的一致性，大部分區(qū)域均高于0.9，僅在黑潮鋒面區(qū)域略低，這可能與模式無(wú)法準(zhǔn)確模擬該區(qū)域豐富的中尺度和亞中尺度鋒面渦旋有關(guān)。圖5顯示了模擬范圍SST的均方根誤差(RMSE)隨時(shí)間的變化，可以看出ECS-APRCP和ECS-HYCOM+GFS系統(tǒng)模擬的SST，中國(guó)近海的RMSE處于0.5～1.7 ℃，與國(guó)際應(yīng)用較廣的HYCOM同化模式相當(dāng)。值得注意的是，ECS-APRCP模擬的SST均方根誤差相較于APRCP顯著降低，這主要是因?yàn)锳PRCP海洋模式?jīng)]有考慮潮汐，無(wú)法模擬出東中國(guó)海廣泛存在的潮汐鋒和相應(yīng)的鋒面溫度變化，導(dǎo)致強(qiáng)潮混合區(qū)的SST模擬偏高，體現(xiàn)了潮汐在東中國(guó)海數(shù)值模擬中的重要性。

圖4 2019-04—2020-06期間(a)ECS-APRCP和(b)ECS-HYCOM+GFS模擬溫表溫度(SST)與觀測(cè)溫表溫度(OISST)相關(guān)系數(shù)的空間分布

(中斷時(shí)段表示系統(tǒng)數(shù)據(jù)缺失。The gap denotes no data available.)

由于衛(wèi)星觀測(cè)和數(shù)值模擬的海表面高度采用了不同的參考面，二者通常較難以直接進(jìn)行對(duì)比。圖6給出了模擬時(shí)段衛(wèi)星觀測(cè)平均絕對(duì)動(dòng)力高度和模式模擬的平均海面高度的對(duì)比。需要指出的是，APRCP和HYCOM均沒(méi)有考慮潮汐，因此圖6中APRCP和HYCOM模擬結(jié)果均不包括潮汐引起的余水位?？梢钥闯?，ECS-APRCP和ECS-HYCOM模式均能較好的再現(xiàn)海面高度近岸低-外海高的空間特征，觀測(cè)中琉球島鏈以東的渦旋引起的海面高度變化也對(duì)應(yīng)良好。但二者也存在系統(tǒng)性差異，衛(wèi)星觀測(cè)的平均絕對(duì)動(dòng)力高度(見(jiàn)圖6(a))比模式模擬的平均海面高度高約0.5 m(見(jiàn)圖6(b)～(e))，這體現(xiàn)了不同參考面的影響[20]。本文后續(xù)分析的海平面異常(SLA)為觀測(cè)或模擬減去其平均海面高度的異常值。

((c、e)中網(wǎng)格區(qū)域外的結(jié)果為所使用的外強(qiáng)迫場(chǎng)。The results outside the model domain shown in(c)and(e)are APRCP and HYCOM, respectively.Data shown in(c, e)outside the model domain is the external forcing.)

3 東中國(guó)海數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)邊界強(qiáng)迫的敏感性研究

黑潮是連接?xùn)|海與熱帶西太平洋的紐帶，和東海之間存在著豐富的物質(zhì)和能量交換。臺(tái)灣東北的黑潮入侵已被大量的觀測(cè)和模擬證實(shí)[21-23]，在一定程度上決定了東海的動(dòng)力和生態(tài)環(huán)境。一般認(rèn)為，黑潮在臺(tái)灣東北的向岸入侵冬季強(qiáng)、夏季弱，且具有顯著的季節(jié)和年際變化，受黑潮流量和中尺度渦旋等多重因素的影響[24-25]。目前，模式在中尺度渦模擬方面的能力仍有待加強(qiáng)，不同模式結(jié)果給出的中尺度渦時(shí)空特征不盡相同[26]，這可能會(huì)影響黑潮入侵的時(shí)間和空間變化。

圖7給出了APRCP、ECS-APRCP、HYCOM和ECS-HYCOM模擬的臺(tái)灣以東黑潮流量變化。APRCP和HYCOM模擬的該時(shí)段黑潮平均流量分別為21.9和27.9 Sv，季節(jié)變化不顯著，但存在非常顯著的季節(jié)內(nèi)震蕩。APRCP和HYCOM模擬的黑潮流量具有相似的變化規(guī)律，但部分時(shí)段表現(xiàn)出較大差異，如2019年10—12月期間，HYCOM比APRCP強(qiáng)15～20 Sv，且流幅更寬、流速更大(見(jiàn)圖8)。對(duì)SLA的分析顯示，10月下旬至12月上旬期間在黑潮右側(cè)石垣島附近存在一個(gè)反氣旋渦，該反氣旋渦在衛(wèi)星觀測(cè)和HYCOM模擬中均有所體現(xiàn)，但在APCRP中則沒(méi)能準(zhǔn)確模擬(見(jiàn)圖8)。一般而言，反氣旋渦會(huì)增強(qiáng)黑潮東側(cè)的水位，從而增加黑潮進(jìn)入東海的流量[27-28]，與本研究中的現(xiàn)象一致。

(斷面位置顯示在圖8(a)中。The section location is shown in Fig.8(a).)

為了討論渦旋和黑潮流量的模擬偏差對(duì)跨陸坡向岸入侵的影響，進(jìn)一步在該區(qū)域進(jìn)行了粒子示蹤實(shí)驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)粒子的分布特征。粒子釋放位置位于臺(tái)灣東部斷面(24.9°N，122 °E—123 °E)0～300 m范圍內(nèi)，水平方向每隔0.01°、垂直方向每隔25 m釋放粒子，連續(xù)釋放10 d，并計(jì)算50 d，其中上100 m和100～300 m分別代表黑潮表層水和黑潮次表層水[29-30]。定義初始位于表層(<100 m)和次表層(100～300 m)，且曾經(jīng)入侵到200 m以淺陸架區(qū)的粒子分別為Surf200粒子和Sub200粒子。ECS-HYCOM+GFS實(shí)驗(yàn)中Surf200和Sub200粒子的占比為33.4%、29.2%，ECS-APRCP中為28.7%、23.9%，表明黑潮流速增大有利于粒子跨越200 m等深線。定義存留時(shí)間Tsurf、Tsub為入侵粒子在200 m以淺陸架區(qū)的平均滯留時(shí)間，ECS-HYCOM+GFS中Tsurf與Tsub為3.5和13 d，ECS-APRCP中為3.8和16.5 d，表明次表層水的存留時(shí)間更長(zhǎng)。圖9 顯示了不同實(shí)驗(yàn)黑潮表層和次表層粒子入侵頻次的空間分布圖，可以看出，對(duì)于黑潮表層水入侵，黑潮流量大時(shí)(ECS-HYCOM+GFS)入侵主要發(fā)生在臺(tái)灣東北陸坡西部，流量小時(shí)入侵主要發(fā)生臺(tái)灣東北陸坡東部，二者的入侵強(qiáng)度和存留時(shí)間相差不大，且都沒(méi)有跨過(guò)100 m等深線繼續(xù)向岸入侵。與黑潮表層水入侵相比，黑潮次表層水的向岸入侵更強(qiáng)，特別是黑潮流量偏弱時(shí)(ECS-APRCP)，次表層向岸入侵的范圍和存留時(shí)間都有所增強(qiáng)，黑潮次表層水有顯著的跨越100 m等深線向岸入侵的態(tài)勢(shì)。臺(tái)灣以東反氣旋渦不僅會(huì)增大黑潮流量，還會(huì)改變陸坡附近的海水垂向?qū)咏Y(jié)，增加了陸架與深水區(qū)的位勢(shì)渦度梯度，增強(qiáng)了跨越陸坡的位勢(shì)渦度障礙，使得黑潮入侵減弱[31]，與本文的結(jié)論一致。

多學(xué)科研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黑潮入侵東海存在底部分支，并強(qiáng)調(diào)了黑潮次表層水入侵對(duì)浙閩陸架和長(zhǎng)江口外動(dòng)力環(huán)境的影響[32]。本文的數(shù)值實(shí)驗(yàn)也表明，黑潮次表層水的入侵范圍強(qiáng)于黑潮表層水，與前人結(jié)果一致。需要強(qiáng)調(diào)的是，海洋模式在渦旋模擬方面的技巧和差異會(huì)影響渦旋和黑潮流量的季節(jié)內(nèi)變化特征，進(jìn)一步影響對(duì)黑潮向東?？珀懫氯肭值脑u(píng)估。

4 東中國(guó)海數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)大氣強(qiáng)迫的敏感性研究

耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)在臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)中有一定的優(yōu)越性[33]，但由于同化方案和運(yùn)行方式的不同，與獨(dú)立的大氣預(yù)報(bào)模式相比仍存在一定差異。本文以極端天氣事件臺(tái)風(fēng)為例，分析了耦合預(yù)報(bào)大氣強(qiáng)迫的模擬偏差和可能影響。選取2019年1909號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”(Lekima)與1913號(hào)臺(tái)風(fēng)“玲玲”(Lingling)為例進(jìn)行分析。臺(tái)風(fēng)軌跡來(lái)自日本氣象廳(JMA：Japan Meteoro-logical Agency)的臺(tái)風(fēng)最佳路徑資料，該數(shù)據(jù)還包括中心氣壓信息?！袄骜R”和“玲玲”分別于2019年8月8—9日和9月5—6日影響中國(guó)東海，是本文重點(diǎn)分析的時(shí)段。

圖10顯示了APRCP和GFS模擬的“利奇馬”和“玲玲”的軌跡和強(qiáng)度?？梢钥闯?，GFS模擬的臺(tái)風(fēng)軌跡與觀測(cè)更為一致，而APRCP的預(yù)報(bào)路徑與觀測(cè)間存在約1°的偏差。此外，GFS模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度更強(qiáng)，影響范圍更大，最大風(fēng)速與JMA給出的臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速也更為接近。臺(tái)風(fēng)不僅可以影響上層海洋的動(dòng)力環(huán)境，還可以對(duì)局地的生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生影響，甚至影響海洋的碳源匯格局。臺(tái)風(fēng)的模擬偏差可能會(huì)對(duì)動(dòng)力生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。

(風(fēng)場(chǎng)顯示時(shí)間分別為(a、b)2019-08-09 8:00 CST，(c，d)2019-09-06 8:00 CST。Superimposed are the wind field at a selected time of(a, b)2019-08-09 8:00 CST, and(c,d)2019-09-06 8:00 CST.)

海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)最直觀的響應(yīng)是SST的變化，圖11顯示了受臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和“玲玲”影響，SST的空間分布?？梢钥闯?，受臺(tái)風(fēng)影響，SST表現(xiàn)出不同程度的下降，在臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)后出現(xiàn)最大降溫的冷尾跡，最大溫降出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)(見(jiàn)圖11(a)、11(e))。ECS-HYCOM+GFS和ECS-APRCP均可以再現(xiàn)SST的冷尾跡，但強(qiáng)度略大于觀測(cè)，這可能是由于OISST的時(shí)空平滑減弱了SST的空間差異[34]。此外，由于GFS預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度顯著大于APRCP，對(duì)應(yīng)的SST冷尾跡也更顯著。

((a、b、c、d)為臺(tái)風(fēng)“利奇馬”，(e、f、g、h)為臺(tái)風(fēng)“玲玲”，(a、e)為 OISST，(b、f)為 ECS-GFS 預(yù)報(bào)，(c、g)為ECS-APRCP 預(yù)報(bào)，(d、h)為ECS-APRCP增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)。其中(a、e)SST為日均值，其余為選定時(shí)刻的CST(北京時(shí)間)。Distribution of the(a, e)observed OISST and simulated SST by(b, f)ECS-GFS,(c, g)ECS-APRCP and(d, h)ECS-APRCP strengthened experiment for(a, b, c, d)typhoon Lekima and(e, f, g, h)typhoon Lingling.The SST shown in(a, e)are the daily mean while others are selected snapshots(CST).)

為了解析臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度模擬偏差對(duì)海洋動(dòng)力環(huán)境的影響，本文根據(jù)GFS和APRCP的風(fēng)場(chǎng)模擬差異調(diào)整了APRCP的風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)分析以臺(tái)風(fēng)中心為圓心的臺(tái)風(fēng)合成場(chǎng)的差異，得出二者的偏差，并將該偏差應(yīng)用于修正APRCP的風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度，而不改變其路徑和其它海氣界面參數(shù)，即在保持APRCP臺(tái)風(fēng)軌跡不變的情況下，將臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增大到與GFS相當(dāng)，研究海洋的響應(yīng)特征。圖11(d)、11(h)顯示了APRCP風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的SST的空間分布?？梢钥闯?，SST的反饋較GFS和APRCP強(qiáng)迫實(shí)驗(yàn)均更為顯著。這表明簡(jiǎn)單增大風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度可能會(huì)高估臺(tái)風(fēng)對(duì)海洋的影響。

對(duì)溫度變化方程中各診斷量的分析表明，增大風(fēng)場(chǎng)不僅會(huì)改變海洋的對(duì)流和混合，還會(huì)影響海氣界面的海-氣耦合過(guò)程，進(jìn)一步影響海洋的反饋。圖12對(duì)比了GFS、APRCP和APRCP風(fēng)場(chǎng)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中任一時(shí)刻的海表凈熱通量?？梢钥闯?，APRCP耦合模式大氣強(qiáng)迫和GFS非耦合大氣強(qiáng)迫海表熱通量存在較大差異，這主要是不同模式的臺(tái)風(fēng)模擬偏差引起的，但總體表現(xiàn)出臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)大氣從海洋獲取熱量，臺(tái)風(fēng)過(guò)境后冷尾跡區(qū)大氣向海洋輸送熱量的特征。增大APRCP風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度與GFS相當(dāng)后，二者的海氣界面凈熱通量仍表現(xiàn)出較大差異(見(jiàn)圖12(a)(c)，12(d)(f))，這主要是由于海氣界面的其它狀態(tài)參數(shù)如氣溫、濕度、氣壓等并未同步變化。APRCP風(fēng)場(chǎng)增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致海氣界面熱通量交換增強(qiáng)(見(jiàn)圖12(b)(c)、12(e)(f))，臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)，其最大風(fēng)速半徑附近海表熱通量呈負(fù)值，主要由潛熱通量增強(qiáng)[35]引起的海洋向大氣釋放熱量，引起了海洋的異常強(qiáng)降溫。臺(tái)風(fēng)過(guò)境后，冷尾跡區(qū)由于SST異常偏低，感熱通量增大，大氣向海洋輸送熱量增強(qiáng)(見(jiàn)圖11(c)(f))，SST在臺(tái)風(fēng)過(guò)境后逐漸恢復(fù)。

((a，d)為ECS-GFS預(yù)報(bào)，(b，e)為ECS-APRCP預(yù)報(bào)，(c，f)為ECS-APRCP增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，時(shí)間為2019-08-09 8:00 CST(利奇馬)和2019-09-06 8:00 CST(玲玲)。(a, d)ECS-HYCOM+GFS,(b, e)ECS-APRCP and(c, f)ECS-APRCP strengthened experiment for(a, b, c)typhoon Lekima at 2019-08-09 8:00 CST and(d, e, f)typhoon Lingling at 2019-09-06 8:00 CST.)

5 結(jié)論

本文基于中國(guó)近海高分辨率ROMS海洋模式和“兩洋一?！焙Ｑ?大氣耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(APRCP)，設(shè)計(jì)了降尺度嵌套的預(yù)報(bào)流程和框架，建立了東中國(guó)海水動(dòng)力短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并結(jié)合預(yù)報(bào)系統(tǒng)模擬結(jié)果和數(shù)值實(shí)驗(yàn)，討論了東中國(guó)海短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)海洋-大氣耦合預(yù)報(bào)強(qiáng)迫和非耦合強(qiáng)迫的敏感性和可能機(jī)制，主要得到如下結(jié)論：

(1)降尺度東中國(guó)海水動(dòng)力短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)具有較好的模擬技巧，可以基本再現(xiàn)東中國(guó)海的海表面溫度和動(dòng)力高度變化，“后報(bào)-預(yù)報(bào)循環(huán)計(jì)算”設(shè)計(jì)可以充分利用大尺度模式的分析結(jié)果。

(2)“兩洋一?！焙Ｑ?大氣耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)與HYCOM模擬的黑潮流量基本一致，不同時(shí)段的模擬差異主要反映了中尺度渦的影響。不同模式對(duì)中尺度渦的模擬技巧差異會(huì)影響黑潮流量變化，并進(jìn)一步影響東中國(guó)海水動(dòng)力環(huán)境的模擬和預(yù)報(bào)。臺(tái)灣以東的反氣旋式渦旋會(huì)導(dǎo)致黑潮流量增大，臺(tái)灣東北處黑潮表層水的向岸入侵變化不大，黑潮次表層水跨陸坡向岸入侵的范圍和存留時(shí)間都減弱，進(jìn)一步影響局地和東海的動(dòng)力和生態(tài)環(huán)境。

(3)“兩洋一?！焙Ｑ?大氣耦合預(yù)報(bào)模式模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與GFS相比偏弱，這會(huì)導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)期間海洋的響應(yīng)偏弱。簡(jiǎn)單增大風(fēng)場(chǎng)會(huì)改變海洋的對(duì)流和混合，但會(huì)高估海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)，這主要是因?yàn)楹饨缑嫫渌鼱顟B(tài)變量未能同步變化所致。修正偏弱的臺(tái)風(fēng)模擬風(fēng)場(chǎng)是海洋數(shù)值模擬中的慣用做法，本研究顯示該做法會(huì)高估海洋的響應(yīng)，是需要關(guān)注的問(wèn)題。

本文構(gòu)建了東中國(guó)海水動(dòng)力環(huán)境的降尺度預(yù)報(bào)框架，預(yù)報(bào)技巧既依賴于東中國(guó)海高分辨率海洋模式，也依賴于大氣和海洋強(qiáng)迫的模擬技巧。相較于前人研究，本研究采用的非等距曲線網(wǎng)格可以提升重點(diǎn)區(qū)域預(yù)報(bào)的精細(xì)化程度，提升預(yù)報(bào)效率；潮汐-環(huán)流耦合模擬，模式的模擬性能(如SST)顯著提高；“后報(bào)-預(yù)報(bào)循環(huán)計(jì)算”的設(shè)計(jì)思路可以更為合理的避免誤差累積；APRCP海洋-大氣耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)自主可控，具有良好發(fā)展前景。雖然目前APRCP海洋-大氣耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的性能部分方面仍弱于HYCOM，但是，APRCP耦合預(yù)報(bào)系統(tǒng)和東中國(guó)海短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)都在不斷優(yōu)化各自的同化方案，并在發(fā)展更高分辨率的模擬預(yù)報(bào)系統(tǒng)，模擬技巧和預(yù)報(bào)水平未來(lái)都將顯著提高。