海洋预报技术和应用设计研究.docx
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海洋预报技术和应用设计研究
海洋预报技术及其应用研究
海洋预报，是指根据海洋环境特征值的历史资料和实时观测结果，运用专门设计的物理模型和数学模型，对一定海域未来时间内的海洋要素、海洋现象、海洋变异及其可能造成的影响，以一定的文字、图表、声像等形式进行描述和发布。
海洋预报包括风暴潮、海浪、海啸、海冰、海流、海温、盐度、潮汐、海平面变化、厄尔尼诺、水质、海岸侵蚀等。
海洋积聚着巨大能量，这些能量一旦以某种突发的方式释放，则可能对人类构成非常大的危害，包括风暴潮、巨大海浪、严重海冰、海啸、赤潮等突发性较强的灾害；海平面变化、海岸侵蚀以及沿岸土地盐渍化等缓发性海洋灾害。
我国沿海地区人口稠密、经济发达，海上各类生产活动蓬勃发展，但频受海洋灾害袭击，每年因海洋灾害造成的直接经济损失在100亿元以上。
风暴潮、海浪、赤潮、海水入侵和海岸侵蚀等较为严重。
进行海洋预报可以有效地对海洋灾害进行预警，有效经济损失和人员伤亡，在经济社会发展当中发挥了重要的作用。
目前人类社会对海洋分析预报的需求包括：
海洋业务化预报、台风预报、季节和气候预测、全球变化研究、海上航运、渔业、目标漂浮物的跟踪预报、海上搜救、溢油预报、海上执法和管理、海上石油和天然气作业、海洋旅游等。
军事方面，海军对海洋分析预报的需求有：
水面舰艇的航行安全、作战训练、武器装备性能的发挥、维护国家海上权益、海外救援等。
海洋预报可以对国防安全、海洋经济发展、海洋防灾减灾、海上重大活动、海洋权益维护等起到很好的促进和强有力的支撑，很多海洋预报的产品对军事活动和国防的安全等也有重要的作用。
海洋预报是一切海上活动的基础。
随着海洋数值模拟技术、全球海洋观测系统和海洋数据同化方案技术的发展，以及社会和军事活动对海洋环境信息的迫切需求，驱动着海洋分析预报技术的不断发展。
海洋预报的具体内容有：
研制深、浅水海浪数值预报模式，研制适合于海洋环境预报的有限区域海面风场数值预报模式和台风风场数值预报模式，实现中海及邻近海域海浪数值预报。
研制高分辨率风暴潮即近岸海浪耦合数值预报模式和典型区域风暴潮漫滩数值预报模式。
研制温、流、冰数值预报模式，实现中国海表层海水温度（SST）业务化数值预报、渤海海冰的中期（周）数值预报、中国海三维海洋温度、流场的试预报。
研制厄尔尼诺的区域和全球数值预测模式。
发展赤潮卫星遥感跟踪预报、统计预报及数值预报技术。
一、海洋预报技术发展概况
近年来，CTD、XBT、卫星高度计资料、Argo温盐剖面数据、高精度融合SST产品、海冰等海洋观测数据和松弛逼近、最优插值、三维变分和Kalman滤波等海洋数据同化技术的发展促进了海洋预报的快速发展。
随着遥感卫星和互联网的广泛使用，解决了海洋观测数据稀少、时空分布不均匀的难题，形成了全球准实时海洋观测系统，提高了海洋预报的准确度。
随着人类开发利用海洋的脚步加快，海洋生态环境预报越来越受到重视，海洋环境多学科要素预报和海洋环境耦合模式开始繁荣发展。
海洋模式和海洋预报系统不断完善，至今已经有40多个海洋模式，无结构三角形网格可以在海峡、海湾和河口等面积狭小的重点海域进行网格加密，提高模式水平分辨率。
在人类社会活动需求的驱动下，根据所关注的预报海域和预报要素，世界各国使用各种海洋模式通过区域嵌套技术等建立了全球海洋预报系统、区域嵌套高分辨率海洋预报系统以及针对海湾、河口和内陆湖泊等的多重嵌套高分辨率海洋预报系统。
1.美国海洋预报技术
美国海洋局曾经预测未来海洋预报发展的预测取决于计算处理能力和有效利用新型高速计算机的能力。
通过更新强大的计算机系统，研究人员能够用不同的水平和垂直分辨率来测试和评价大范围海洋模块的运行情况。
美国海军海洋研究部门开发了模块化海洋数据同化系统（MODAS），通过提高计算机处理能力和网络通信能力，来不断缩短嵌套式气象海洋全球/区域/战术/实时运算系统（GOODA），极大减少了海洋预报的数据处理时间，为海洋预报应用与军事战场提供了可能。
随着全球海洋数据同化试验（ODAS）的建立，美国相关海洋部门设计了关于全球海洋观测系统的实验性计划（ARGO），建立了一个全球的海洋监测体系，以便有能力提供从每个季度到多年的变化特征的观察资料。
这个全球观察系统通过从海面到水下漂浮物的配置，能够以10d为周期不断的返回从水下2000米深处到海平面的温度和盐度剖面数据。
这些漂浮物在全球海洋的预期分布是在经度和纬度上都是每三度一个，获取的信息通常在少于12小时内个返给数字化海洋气象中心。
美国海洋预报模式发展主要体现在促进大范围和小尺度海洋模式的发展，提高全球海洋应用性预报在实时性和分辨率等方面。
美国主要海洋预报模式见表１。
美国主要使用其共同开发的NEMO模式建立的海洋预报系统的HYCOM、ROMS和POM等海洋环流模式；使用HYCOM模式建立的海洋预报系统的HYCOM/NCODA系统和RTOFS系统；涡旋识别全球海洋预报系统的NLOM、HYCOM/NCODA、RTOFS。
大气强迫场的预报时效影响海洋模式的预报时效。
海洋预报系统的预报时效一般是一周。
美国海军的NLOM模式可以提供海流、海洋中尺度涡等海洋中小尺度现象的一个月的预报。
表1 美国常用海洋预报模式
海洋系统
数据同化
海洋分析
OCEANMVOI
海洋三维多元数据最优插值系统
MODAS
模块化海洋三维数据同化系统
模式
海洋环流模块
TOPS
上层海洋混合层预测（全球和固定区域）
NLOM
大洋中尺度预报（全球）
NCOM
上层海洋和近岸海洋预报（全球初始场）
SWAFS
近岸海洋预报（固定区域）
RELOPOM
快速海洋预报（区域性）
ADCIRC
关于浅滩、近岸和河口处的高级水动力环流模块
波浪、破碎和潮汐模块
WAM
海洋波动模块（全球和区域）
WW3
海洋监测模块（全球）
STWAVE
近岸波浪谱模块（区域）
NSSM
海洋碎波标准模块
PCTIDES
潮汐模块
海冰模块
PIPS
极地海冰预报系统
气象模块
NOGAPS
气象预报系统（全球）
COAMPS
高分辨率气象预报系统（区域性）
GFDN
热带风暴模块
2.英国海洋预报技术
英国作为全球重要的海洋国家之一，长期以来十分重视海洋研究，在长期的海洋研究实践中积累了宝贵的经验，丰富的海洋资源是英国的能量之源和立国之本。
英国认为其自身是少数几个有能力在全球各海域进行科学研究的国家之一，在许多国际海洋科学计划中起了重要的引领作用。
英国通过实施“2025年海洋”计划，对海岸带和深海研究，气候变化下的大西洋、南大洋和北极地区的气候、海洋环流和海平面，包含海洋生态模拟系统及其不确定性研究在内的下一代海洋预报进行了重点资助，侧重解决了目前英国在海洋研究尤其是海洋预报方面所面临的困难。
海洋科学数据获取困难是制约海洋预报技术发展的一个重要因素，英国对海洋基础设施建设非常重视。
英国科学技术办公室发布了第一个《大科学装置战略路线图》，包括“海洋研究船”在内的海洋研究装置比例达到50%。
英国未来重点发展新一代集科学钻探与多功能研究平台的极地破冰船“北极光号”、欧洲海洋观测基础设施（Euro-Argo）、欧洲多领域海底观测、北极斯瓦尔巴特群岛综合观测系统（SIOS）。
此外，英国重视海洋机器人的开发，结合卫星观测系统推动船舶的系统观测，从而构建一个全方位的自动观测网络。
欧洲国家的海洋预报系统主要使用其共同开发的NEMO模式，英国使用NEMO模式建立FOAM海洋预报系统。
通过GTS获得实时Argo资料是一个关键问题。
英国需要实时资料来改进日常运行的业务化海洋大气预报模式（FOAM）的海洋分析和预测能力。
3.我国海洋预报技术
我国海洋预报业务经过近几年的发展取得长足进步，已经初步建立了国家级、海洋区域中心级、省级三级海洋预报预警服务业务体系。
海洋预报的技术支撑体系海洋气象数值预报模式也得到发展和应用。
除大气数值预报模式外，相继有海雾、海浪、风暴潮、海洋污染物扩散等海洋数值模式得到广泛应用，为海洋服务保障提供技术支持和客观产品。
下面以三个数值模式为例对海洋预报技术发展进行说明。
（1）海雾数值模式
海雾模式基本是对WRF模式加以优化，在海雾生消变化规律的基础研究上，综合考虑大气边界层、云辐射等方案，结合地表能量收支、海盐粒子、液态水重力沉降等物理因素，对海雾数值模拟和预报的研究。
运行海雾模式的有国家气象中心、河北、山东、上海、浙江、福建六家单位，模式分辨率从15KM到30KM不同，预报时效从24小时到168小时不等，气象背景场有T639、GFS模式输出、T213模式输出等5种背景场资料，开发单位有中国气象局台风海洋预报中心和数值预报中心、中国海洋大学、上海台风所、上海海洋气象台、浙江省气象局、福建省气象局6家单位，其中中国海洋大学开发的同一版本海雾RAM模式运行在河北、山东两家单位
（2）海浪模式
开发海浪模式的单位有国家气象中心、辽宁、天津、山东、上海、江苏、福建、广东八家，海浪模式八家运行单位全部采用WAVEWATCHⅢ海浪模式，是目前应用较为广泛的第三代海浪模式，代表了当今海浪预报技术世界水平。
也是海洋气象数值预报单一种类中开发最多的单位，参加海浪模式研发的有中国气象局数值预报中心、台风海洋预报中心、中国海洋大学、解放军理工大学、上海台风所、福建省气象台、广东热带所、天津气科所八家科研院所，从模式范围来看，全球海浪模式有三套，其中国家气象中心运行分别基于T213、T639两套全球海浪模式，上海海洋气象台运行一套上海台风所开发的全球海浪模式；西北太平洋有四套不同气象背景场和分辨率的海浪模式，分别运行在国家气象中心、天津、上海、江苏。
对于近海各家海浪模式预报区域重叠较多，如国家气象中心、辽宁、天津、山东均运行黄渤海海浪模式，国家气象中心、福建、广东三家单位运行东海和南海海域海浪模式，模式分辨率不等。
（3）风暴潮模式
风暴潮模式主要包含台风和温带风暴潮模式，采用三角网格，在沿岸风暴潮敏感区域的分辨率可达几百米，模式采用干湿网格判别方法，可以模拟风暴潮漫滩过程。
国家气象中心、辽宁、河北、天津、山东、上海、广东七家单位运行风暴潮模式，但是采用的基础模式也有7种之多，各个模式之间没有开展对模式性能的比较。
参加风暴潮模式研发的有中国气象局数值预报中心、台风海洋预报中心、中国海洋大学、上海台风所、广东热带所、天津气科所6家科研院所。
仅黄渤海风暴潮模式有国家气象中心、辽宁、河北、天津、山东、上海6家单位运行，且模式的核心版本、分辨率、气象背景场不同。
我国的海洋数值模式总体来看技术辐射能力没有建立，国家级和海洋区域中心均没有下发海洋数值预报产品。
模式研发主要以科研院所为主，同一个科研单位参与开发多种海洋气象数值预报产品。
海浪模式基础模式一致，但气象背景场多，重复开发。
风暴潮核心模式版本多，但是各种版本的模式没有比较。
从海洋气象专业模式现状分析上可以看出，海洋数值模式对海洋预报业务的支撑能力有了初步体现，形成了一定的技术支撑作用。
但是我们也看到，海洋数值预报建设水平参差不齐、研究力量分散且低水平重复；海洋数值预报集约化程度不高、技术辐射能力低，还没有形成高效共享的海洋预报科技支撑体系。
二、海洋模式和海洋预报系统应用
海洋模式是海洋数值预报系统的动力框架和核心组成部分。
海洋模式自1969年诞生起就不断完善发展，至今已经有40多个海洋模式，包括针对不同海域（大洋、近海、近岸、港湾）和不同海洋学科（物理海洋、海洋生态、海洋化学）的海洋模式。
不同海洋模式的适用海域不同，模式特点各不相同。
常用业务化海洋模式有HYCOM、NEMO、MOM、ROMS和POM等。
全球海洋环流模式以HYCOM、NEMO和MOM为主要方向，区域海洋模式以ROMS为主，POM适合应用在陆架或沿海，还有应用于海峡、海湾和河口的ECOM、FVCOM和SLOSH模式等。
下面详细介绍各常用海洋模式以及使用该模式建立的海洋预报系统。
1.NLOM和NCOM模式及应用
美国海军的全球海洋预报系统包括海军分层海洋模式（NLOM）、海军近海海洋模式NCOM，广泛应用于美国海军业务化全球大气预报系统（NOGAPS）。
NLOM是原始方程模式，水平分辨率为1/32°，属于涡旋识别模式，垂直分辨率比较低，只有7层，包括海洋混合层和6个拉格朗日层，在垂直方向上物理过程比较简单。
NLOM同化卫星高度计资料和海面温度资料，提供海面高度、海洋涡旋和海洋锋等的30天预报。
NCOM模式是基于POM和sigma-z混合坐标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，垂直共分为40层，海洋上层是sigma坐标（19层），海洋下层是z坐标（21层）。
NCOM在北极有两个极点，分别在北美大陆和亚洲大陆。
变量水平网格配置有多种选择。
NCOM在北极与海冰模式PIPS3.0相耦合。
NCOM采用的数据同化方法是多变量最优插值（MVOI）。
NCOM每天做5天的三维温盐流预报，为沿岸区域高分辨率海洋模式提供边界条件。
NCOM可以与美国海军海气耦合中尺度预报模式（COAMPS）相耦合，进行区域海气耦合预报。
2.HYCOM模式及其应用
标准版的混合坐标大洋环流模式HYCOM是在美国迈哈密大学原有等密度面海洋模式MICOM的基础上发展改进的新一代原始方程海洋环流莫使。
模式的水平网格采用C网格。
HYCOM模式可以实现三种坐标的自适应，即在开放的、层结的海洋中垂直坐标取等密度坐标，在弱层结的上层海洋混合层中，垂直坐标平滑地过渡到z坐标，在浅水区域中（地形变化强烈的海域），过渡到随底垂向坐标；而在更浅的海域坐标又过渡到了z坐标。
混合坐标扩展了传统的等密度面坐标海洋模式的应用范围，弥补了MICOM数值模式在浅海海域垂向分层过薄的缺点，使得模式的适应能力更好。
HYCOM模式是比较先进、应用广泛的海洋模式，应用于美国的RTOFS、美海军的HY-COM/NCODA、挪威的TOPAZ、巴西的REMO和中国西北太平洋等海洋预报系统。
NCEP的实时海洋预报系统RTOFS基于HYCOM海洋模式建立，包括8个分潮，水平分辨率是1/12°，垂直有32层，属于涡旋识别模式。
RTOFS可以提供水位、海流、温度和盐度的预报，为局地和近岸物理海洋模式、海气耦合模式、生态地质化学模式等提供初始场和边界条件。
RTOFS包括全球海洋预报系统和大西洋预报系统，未来NCEP将实现HYCOM模式（RTOFS系统）与台风预报模式HWRF和全球大气模式GFS的耦合。
3.NEMO模式系统及其应用
NEMO海洋模式系统由法国、英国和意大利共同研发，应用于27个国家的270项科学计划中。
NEMO主要包括海洋模式OPA，OPA的切线性伴随模式TAM（用于数据同化），海冰模式LIM和海洋生物地球化学模式TOP。
OPA海洋模式可以用于模拟预报全球和局地海洋环流，也可以用于研究海洋与大气、海冰等之间的关系。
物理过程参数化方案和数值计算算法是数值模拟技术的核心技术，OPA海洋模式有多种成熟先进的物理参数化方案和数值计算算法供选择。
物理过程参数化方案包括海洋侧向混合、垂向混合、对流、双扩散混合、底摩擦和潮致混合等参数化方案。
垂向混合参数化方案包括KPP、TKE和GLS。
NEMO模式系统主要用于海洋业务化预报、海洋科学研究和气候研究，应用于法国的Mercator、英国的FOAM、意大利的MFS和加拿大的CON-CEPTS等海洋预报系统中。
法国Mercator全球海洋预报系统每周一次做14天的预报，北大西洋和地中海区域模式每天一次做7天的预报。
加拿大基于NEMO建立了全球（1/4°）和西北大西洋（1/12°）海洋预报系统，还在北美洲五大湖区建立了水平分辨率为2km的海洋预报系统。
意大利的地中海高分辨率海洋预报系统MFS，是欧洲海洋核心信息服务计划（MyOcean计划）的地中海子系统，水平分辨率是1/16°，垂直坐标有72层，在海洋近表层的垂直分辨率是3m。
4.ROMS模式及其应用
ROMS是一个开源的三维区域海洋模型，由Rutger大学海洋与海岸科学研究所与UCLA两校共同研究开发，最早被称为SCRUM（S-CoordinateRugsterUniversityModel），后改名为ROMS，被广泛应用于海洋及河口地区的水动力及水环境模拟。
目前主要有三个版本，分别是RutgerUniversity版本、法国IRD的ROMS_AGRIF版本、UCLA版本。
ROMS是在垂向静压近似和Boussinesq假定下，按照有限差分近似求自由表面Reynolds平均的原始Navier-Stokes方程。
模型在水平方向使用正交曲线（ArakawaC）网格，垂向采用地形拟合的可伸缩坐标系统（S坐标系），并针对不同应用提供多种垂向转换函数和拉伸函数。
为了能够更好的模拟波流共同作用，Warner等已经将三维辐射应力项加入到运动方程当中，来模拟近岸波浪运动对水动力的影响。
ROMS功能比较完善，包括水动力模块、海冰模块、生态模块、数据同化模块和泥沙模块等，并且在很多情况下对同一问题提供了多种处理方法。
例如：
湍流闭合模型可以选择Mellor-Yamada2.5层模型，K-ε模型，K-ω模型等。
水平对流及崔向扩散算法可以选择两阶，四阶和正定等算法，开边界条件也提供了多种选择。
该模式功能强大，已广泛应用于海洋与河口的水动力环境的模拟，可以模拟不同尺度的运动，如全球尺度的环流运动、中尺度的水位与流场变化，也可以计算小尺度内波、混合等过程。
美国海军使用ROMS模式，以菲律宾群岛为中心建立了区域海洋预报系统。
迈阿密大学、NOAA和美国海军等部门使用ROMS模式在墨西哥湾和加勒比海域建立了区域海洋预报系统。
印度基于ROMS、MOM、HYCOM、WaveWatchIII和WAM等海洋模式建立了印度的海洋预报系统（INDOFOS），可以提供全球、印度洋、局地海域、沿岸和定点的海浪、表层流、海表面温度、混合层深度和温跃层深度预报。
5.POM模式及其应用
POM是由美国普林斯顿大学于1977年共同建立起来的一个三维斜压原始方程数值海洋模式，后经过多次修改成为今天的样本，是被当今国内外应用较为广泛的河口、近岸海洋模式。
POM在国内较多人使用，在天津、上海、厦门等多个沿海地区均有人使用POM模式进行风暴潮的模拟和预报。
POM采用蛙跳有限差分格式和分裂算子技术，水平和时间差分格式为显式，垂向差分格式为隐式，对慢过程（平流项等）和快过程（产生外重力波项）分开，分别用不同的时间步长积分，快过程的时间步长受严格的CFL判据的限制。
我认为这是一个介于二维和三维之间的计算过程，这个过程计算精度比二维计算高，考虑了时间的影响，但对比三维计算来说可以很大的节省计算量，加快计算速度。
为消除蛙跳格式产生的计算解，POM在每一时间积分层次上采用了时间滤波。
水平方向采用正交曲线网格，变量空间配置使用“Arakawa C”网格，可以较好的匹配岸界。
与均匀网格相比，水平曲线正交网格是渐变的，能更好地拟合岸线侧边界，减少“锯齿”效应。
POM模式在垂向上采用了σ坐标变换，可体现不规则的海底地形的变化特点，便于引入大陆架地形并且引入了干湿网格动边界技术，既可更好地处理三维水动力环境模拟中大量浅滩的“干出”与“淹没”等难点问题，也可很好地处理复杂地形水域的模拟问题，因此被广泛地应用于河口近岸海域的潮流数值模拟中。
基于POM模式源程序代码的公开性，便于学者交流与学习，并可根据实际工作问题的需要进行改进，应用到不同的领域，因而具有很强的生命力和适用性。
POM模式可以模拟海洋中的多尺度现象，比如河流、河口、海洋大陆架和斜坡、湖泊、半封闭海域、外海的海洋环流和海洋混合过程。
POM模式被广泛地应用于海洋近岸、河口的海洋业务化预报（温、盐、流、水位）和研究中，应用海域包括西北大西洋、西北太平洋、美国东海岸、墨西哥湾和哈得逊湾、北冰洋、地中海、中国近海等。
国家海洋局海洋环境预报中心和第一海洋研究所基于POM模式建立了全球和区域海洋预报系统。
三、海洋预报技术的发展趋势
海洋预报的发展离不开海洋科学基础理论、海洋观测、海洋资料同化、数值模拟和高性能计算机等技术的发展进步。
海洋预报系统的发展趋势主要有以下五点。
（1）海洋模式的高精度化。
随着准确的大气驱动场、丰富的海洋观测资料、先进的海洋数据同化技术、成熟的海洋物理过程参数化方案和高性能并行计算技术等的高速发展和人类社会对海洋中小尺度现象模拟的需求，海洋模式逐渐向高精度化进化。
今后，人类可以进一步模拟预报海洋沿岸流、海洋涡旋、海洋锋等海洋中小尺度过程。
海洋中尺度涡是重要的“海洋天气现象”，模拟和预报海洋涡旋是未来物理海洋模式的发展趋势之一。
（2）海洋观测技术的发展。
为满足海洋环境业务化预报的需求，海洋观测技术尤其是海洋遥感技术将得到进一步发展，为海洋业务化预报提供更加丰富准确的准实时观测资料。
在全球大气模式中，气象卫星遥感资料占所有同化资料的90%。
遥感卫星的发射以及其上搭载的从可见光、红外到微波波段的传感器的多样化,可以快速提供全球大范围海区的海洋环境（海面温度、风场、大洋水流方向等）信息。
海洋卫星遥感将发展成为海洋观测的主要手段，极大地丰富准实时观测数据来源。
2020年前，中国将有18颗陆海资源卫星在轨运行，其中包括8颗海洋卫星，海洋卫星遥感产品的业务化应用将是重点研究方向。
（3）海洋环境多学科要素预报和耦合模式的发展。
地球气候系统是一个多圈层相互作用的复杂系统，海洋子系统起着重要作用。
海洋、大气、海浪、海冰、陆地、生态、化学等模式之间的耦合是海洋环境预报的研究热点。
例如，国外内有关学者已经实现了WRF区域大气模式和ROMS区域海洋模式的耦合，物理海洋模式和生态模式的耦合，美国海军已经实现中尺度海气耦合模式COMAPS和NCOM的双向耦合。
海洋环境耦合模式的数据同化技术也是难点之一。
例如，海洋和大气的时空特征尺度、模式时间积分步长和模式敏感度不一样，使得大气海洋耦合模式的数据同化更加复杂。
参考资料：
2014中国应急广播大会，王辉，《海洋预报的现状与发展》.
曹东等，海洋环境立体监测系统中计算机网络的安全策略.
方长芳，张翔，尹建平.21世纪初海洋预报系统发展现状和趋势.海洋预报.第30卷第4期.2013年08月.
吴振华等，美国军事应用海洋预报发展研究。
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黄彬等，我国海洋气象数值预报业务发展与思考
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2013
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