海洋预报技术及其应用研究.docx

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OCEAN MVOI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PC TIDES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. NLO。