自然資源部第一海洋所科研人員在全球高分辨率耦合海洋模式發展方面取得新突破
時間：2023.03.29 來源：實體海洋室 字号
水準分辨率和實體過程表達的精确性是決定全球海洋模式模拟結果真實性的兩個最重要的因素。按照我所數值模式“運作一代、研制一代、策劃一代”的總體思路，實體海洋室肖斌工程師與團隊成員密切協作，突破系列關鍵技術瓶頸，将我所全球高分辨率海洋模式水準分辨率由1/10°提升至1/32°，并實作了全球海浪-潮流-環流耦合。新的模式命名為全球1/32°海浪-潮流-環流耦合海洋模式（FIO-COM32）。這為下一代業務化預報系統建設打下了堅實的基礎。論文2023年3月28日發表于國際高端期刊《Geoscientific Model Development》（網頁連結），喬方利研究員為通訊作者。
首先，随着分辨率由1/10°提升至1/32°，模式的計算量和記憶體開銷将分别增加約32倍和10倍，對模式研發與運作提出了巨大的技術挑戰。該課題組通過設計四級并行架構，突破了高效并行計算技術瓶頸；通過IO二次剖分和多程序歸集，突破了IO技術瓶頸。
模式分辨率的提升對地形岸線的解析、渦旋現象的模拟等都有本質性改進。新的高分辨率模式能夠模拟更豐富的海洋渦旋現象，顯著改進了模式對渦動能的模拟能力，尤其在黑潮和灣流等西邊界強流區域，所模拟的強流路徑與形态均有較大提升，渦動能的均方根誤差随之大幅降低。
圖 1 衛星觀測（a）、1/10°（b）和1/32°(c) 模式的渦動能分布，渦動能均方根誤差由1/10°模式的63.5 cm2s−2 降為1/32°模式的31.7 cm2s−2 ，降幅超過50%。
其次，即使分辨率提升至全球1/32°，夏季上層海洋混合不足的問題依然存在，圖2顯示模式與Argo觀測的夏季混合層深度存在顯著的偏淺問題，這是國内外海洋環流模式的共性問題。基于本研究組原創的浪緻混合理論，将浪緻混合方案Bv引入到新模式，顯著改進了夏季混合層深度模拟，首次實作了高分辨率海浪-潮流-環流的耦合。
圖 2 基于Argo觀測資料(a)和無浪實驗(b)和有浪實驗 (c)模拟的夏季(北半球和南半球分别為1、2、3月份和7、8、9月份)混合層深度。無浪實驗與Argo的差異、有浪實驗與無浪實驗的差異以及緯向平均混合層深度分别示于(d)、(e)和(f)。
以往國内外超高分辨率海洋模式與衛星觀測的海面高度資料對比顯示，兩者的中尺度波數譜斜率存在明顯差異，這是一個困擾了實體海洋學領域多年的科學難題。基于建立的新型模式，該課題組首次在全球尺度科學闡釋了該差異是由于海洋環流模式中未引入潮流而引起的。通過引入天體引潮力實作潮流-環流耦合，全球模式中激發的内潮和慣性重力波所緻的海面起伏顯著改進了模式的中尺度波數譜斜率。在喬方利研究員帶領下，經過幾十年的不斷探索，該研究組打破了國内外海浪、潮流、環流分治的傳動動力學架構，在國際上首次提出海浪、潮流、環流等多運動形态耦合模組化的學術思想。該論文清晰表明，耦合模組化是未來海洋模式發展的正确道路。
在聯合國“海洋十年”架構下，喬方利聯合歐美等25個國家34家海洋研究機構和3個國際組織，于2022年發起了“海洋與氣候無縫預測（OSF）”大科學計劃。該論文的發表标志着OSF又邁上了一個新台階。
圖 3 Jason-3沿軌資料(a)、無潮實驗(b)和有潮實驗(c) 70-250 km的SSH波數譜斜率。黑潮區(d)、熱帶太平洋區(e)和南大洋區(f)三個站點的SSH波數譜，黑線表示70公裡和250公裡的波數。2018年12月1日，無潮實驗 (g)和有潮實驗 (h)在(a)矩形區域内一個時刻的SSH分布。
