21世紀初海洋預報系統發(fā)展現狀和趨勢

方長芳，張翔，尹建平

（海軍海洋水文氣象中心,北京 100073）

1 引言

21世紀是海洋世紀，海洋占地球表面的70%。據估計，海洋油氣儲備占全球總資源的34%,目前探明率為30%,尚處于勘探早期階段。豐富的油氣和礦產資源、重要的海上貿易運輸通道使得各國競相爭奪海洋領土和海洋權益。海洋、海權和海軍是各國發(fā)展的重要方向和保障。

海洋預報是一切海上活動的基礎。全球和區(qū)域海洋數據同化預報系統自20世紀90年代開始迅速發(fā)展，主要原因有以下4個。（1）海洋數值模擬技術和高性能計算機的發(fā)展；（2）全球海洋觀測系統的形成和發(fā)展，使得獲取的高質量海洋觀測數據增多，比如ARGO、衛(wèi)星高度計等數據；（3）海洋數據同化方案技術的發(fā)展；（4）社會和軍事活動對海洋環(huán)境信息的迫切需求驅動著海洋分析預報技術的不斷發(fā)展。人類社會對海洋分析預報的需求包括：海洋業(yè)務化預報、臺風預報、季節(jié)和氣候預測、全球變化研究、海上航運、漁業(yè)、目標漂浮物的跟蹤預報、海上搜救、溢油預報、海上執(zhí)法和管理、海上石油和天然氣作業(yè)、海洋旅游等。海軍是一個國際化軍種，各個國家要求其海軍能在世界公海范圍內自由活動，海軍對海洋分析預報的需求有：水面艦艇的航行安全、作戰(zhàn)訓練、武器裝備性能的發(fā)揮、維護國家海上權益、海外救援等。

1998年，國際海洋界、遙感界和氣象界聯合發(fā)起了持續(xù)10年全球海洋資料同化實驗GODAE（1998—2008）[1]，通過國際合作和經驗技術交流等途徑，極大地促進了全球海洋準實時多源觀測數據集成融合技術、海洋數據同化技術和海洋預報系統的發(fā)展。GODAE OceanView計劃（2008-）是繼GODAE之后的國際長期合作項目，將繼續(xù)支持海洋分析預報系統的研發(fā)和海洋人才的培養(yǎng)。GODAE OceanView每年召開一次年會，介紹主要海洋大國海洋預報系統的最新現狀和發(fā)展計劃。表1展示了21世紀初先進的全球或區(qū)域海洋預報系統，海洋預報系統信息來源主要是Dombrowsky[2]和GODAE OceanView 2011年11月的年會報告[3]。少部分海洋預報系統包含的生態(tài)、生物地球化學模塊，表1沒有介紹。本論文的第二部分總結21世紀初國際海洋預報系統的總體特點，第三部分詳細介紹各種海洋數值模式和海洋預報系統，第四部分是海洋預報系統發(fā)展展望。

2 21世紀初國際先進海洋預報系統的總體特點

2.1 海洋模式和海洋預報系統百花齊放

海洋模式是海洋數值預報系統的動力框架和核心組成部分。海洋模式自1969年誕生起就不斷完善發(fā)展，至今已經有40多個海洋模式[4]，包括針對不同海域（大洋、近海、近岸、港灣）和不同海洋學科（物理海洋、海洋生態(tài)、海洋化學）的海洋模式。不同海洋模式的適用海域不同，模式特點各不相同。常用業(yè)務化海洋模式有HYCOM、NEMO、MOM、ROMS和POM等（見表1），將在第3部分詳細介紹。全球海洋環(huán)流模式以HYCOM、NEMO和MOM為主要方向，區(qū)域海洋模式以ROMS為主，POM適合應用在陸架或沿海，還有應用于海峽、海灣和河口的ECOM、FVCOM和SLOSH模式等。無結構三角形網格可以在海峽、海灣和河口等面積狹小的重點海域進行網格加密，提高模式水平分辨率。

在人類社會活動需求的驅動下，根據所關注的預報海域和預報要素，世界各國使用各種海洋模式通過區(qū)域嵌套技術等建立了全球海洋預報系統、區(qū)域嵌套高分辨率海洋預報系統（見表1）以及針對海灣、河口和內陸湖泊等的多重嵌套高分辨率海洋預報系統。歐洲國家的海洋預報系統主要使用其共同開發(fā)的NEMO模式，美國則主要使用HYCOM、ROMS和POM等海洋環(huán)流模式。使用NEMO模式建立的海洋預報系統有法國的Mercator系統、英國的FOAM系統、意大利的MFS系統、加拿大的CONCEPTS系統等。使用HYCOM模式建立的海洋預報系統有美國的HYCOM/NCODA系統和RTOFS系統、挪威的TOPAZ系統、巴西的REMO系統、中國的西北太平洋海洋預報系統等。

2.2 海洋模式分辨率不斷提高，預報時效一般為一周

在全球海洋預報系統中，NLOM模式的水平分辨率最高，達到1/32°；FOAM模式的垂直分辨率最高，在10 m以上的海洋近表層垂直分辨率達到1 m。加拿大基于NEMO模式在北美洲五大湖區(qū)建立了水平分辨率為2 km的區(qū)域海洋預報系統[5]。海洋模式分辨率影響對海洋環(huán)流、海洋渦旋等海洋中小尺度過程的模擬。模式各個緯度的局地水平分辨率必須等于或小于局地第一斜壓Rossby波變形半徑（緯度越高，斜壓Rossby變形半徑越小[6]）,模式才能分辨出海洋中尺度渦旋，較好地模擬海洋環(huán)流，這樣的模式稱渦旋識別模式（eddy resolving）[7]。21世紀初，渦旋識別全球海洋預報系統有美國的NLOM、HYCOM/NCODA、RTOFS和法國的Mercator等（見表1）。

大氣強迫場的預報時效影響海洋模式的預報時效。海洋預報系統的預報時效一般是一周。美國海軍的NLOM模式可以提供海流、海洋中尺度渦等海洋中小尺度現象的一個月的預報。

2.3 海洋觀測系統和海洋數據同化技術的發(fā)展促進了海洋預報的快速發(fā)展

海洋觀測資料的匱乏是制約海洋預報發(fā)展的瓶頸之一。海洋觀測數據獲取的難度高、成本大，所以海洋觀測數據稀少、時空分布不均勻。自1980年以來，海洋觀測事業(yè)得到了國際社會的重視，資金投入增多，海洋觀測技術不斷進步：觀測資料的類型和數量不斷增多（特別是遙感資料）、時空采樣變得密集、數據質量提高，海洋觀測數據能夠通過衛(wèi)星、互聯網等通信手段較快地（幾個小時或幾天之內）傳輸到數據應用中心，全球準實時海洋觀測系統已經形成[8]。海洋模式通過同化大量準實時海洋觀測數據，提高了海洋預報的準確度。業(yè)務化應用的海洋數據同化方法有松弛逼近、最優(yōu)插值、三維變分和Kalman濾波等。同化的觀測資料主要有CTD、XBT、衛(wèi)星高度計資料、Argo溫鹽剖面數據、高精度融合SST產品、海冰等[9]。

2.4 海洋環(huán)境多學科要素預報和海洋環(huán)境耦合模式開始繁榮發(fā)展

隨著人類開發(fā)利用海洋的腳步加快，海洋生態(tài)環(huán)境預報越來越受到重視，例如，漁業(yè)和漁業(yè)管理不僅需要物理海洋要素的預報，還需要生物地質化學/生態(tài)要素的預報。海洋環(huán)境多學科要素預報、海洋環(huán)境耦合模式及同化技術開始繁榮發(fā)展[10]。物理海洋要素和過程（溫、鹽、密、流等）影響海洋生物地質化學/生態(tài)過程，海洋生物地質化學/生態(tài)過程也會影響中小尺度物理海洋過程，因此大部分生物地球化學/生態(tài)模式已經實現與物理海洋模式的耦合。部分海洋模式（見表1）包含生物地球化學/生態(tài)模模塊，比如NEMO、HYCOM、ROMS和FVCOM等海洋模式。

3 海洋模式和海洋預報系統介紹

下面詳細介紹各常用海洋模式以及使用該模式建立的海洋預報系統。

3.1 美國海軍的NLOM和NCOM

美國海軍的全球海洋預報系統[11]包括海軍分層海洋模式（NLOM）、海軍近海海洋模式NCOM和HYCOM/NCODA模式系統，由美國海軍業(yè)務化全球大氣預報系統（NOGAPS）的氣象輸出場驅動。NLOM是原始方程模式，水平分辨率為1/32°，屬于渦旋識別模式，垂直分辨率比較低，只有7層，包括海洋混合層和6個拉格朗日層，在垂直方向上物理過程比較簡單。NLOM同化衛(wèi)星高度計資料和海面溫度資料，提供海面高度、海洋渦旋和海洋鋒等的30天預報。

NCOM模式是基于POM和sigma-z混合坐標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，垂直共分為40層，海洋上層是sigma坐標（19層），海洋下層是z坐標（21層）。NCOM在北極有兩個極點，分別在北美大陸和亞洲大陸。變量水平網格配置有多種選擇。NCOM在北極與海冰模式PIPS3.0相耦合。NCOM采用的數據同化方法是多變量最優(yōu)插值（MVOI）。NCOM每天做5天的三維溫鹽流預報，為沿岸區(qū)域高分辨率海洋模式提供邊界條件。NCOM可以與美國海軍海氣耦合中尺度預報模式（COAMPS）相耦合，進行區(qū)域海氣耦合預報。

3.2 HYCOM模式和RTOFS、HYCOM/NCO DA、TOPAZ、REMO海洋預報系統

HYCOM[12]是原始方程全球海洋環(huán)流模式，采用非Boussinesq近似。海洋垂直坐標、垂直分辨率和垂直混合參數化方案影響對海洋混合的模擬，進而影響對海洋環(huán)流和氣候的模擬。HYCOM模式在垂直方向是混合坐標系，在大洋內部層化明顯的海域使用等密度面坐標，在世紀時間尺度上保持水團的特性；在海洋上混合層（海洋層化較弱的海域）使用具有較高垂直分辨率的z坐標；在海洋近岸和海底地形起伏較大海域使用σ坐標（Sigma，地形跟隨坐標）。HYCOM具有等密度坐標的優(yōu)點，同時在海洋上混合層、海洋近岸和海底具有較高分辨率，能夠較好地模擬海洋上層。HYCOM模式有多種垂直混合參數化方案，可以為海洋上混合層和跨等密度面混合相對較弱的大洋內部選擇不同的垂直混合參數化方案，例如KPP[13],KT[14],PWP[15],MY-2.5[16],GISS[17-18]等方案。KPP混合參數化方案[10]能參數化多種海洋物理過程對混合的影響，包括海洋內部的內波破碎、剪切不穩(wěn)定混合和雙擴散（鹽指和擴散不穩(wěn)定）、風應力驅動、表面浮力強迫和對流不穩(wěn)定等，還可以對溫鹽混合的非局地影響進行參數化[9]。

HYCOM模式是比較先進、應用廣泛的海洋模式（見表1），應用于美國的RTOFS、美海軍的HYCOM/NCODA、挪威的TOPAZ、巴西的REMO和中國西北太平洋等海洋預報系統。NCEP的實時海洋預報系統RTOFS基于HYCOM海洋模式建立，包括8個分潮，水平分辨率是1/12°，垂直有32層，屬于渦旋識別模式。RTOFS可以提供水位、海流、溫度和鹽度的預報，為局地和近岸物理海洋模式、海氣耦合模式、生態(tài)地質化學模式等提供初始場和邊界條件。RTOFS包括全球海洋預報系統和大西洋預報系統，未來NCEP將實現HYCOM模式（RTOFS系統）與臺風預報模式HWRF和全球大氣模式GFS的耦合[19]。

美國海軍的HYCOM/NCODA業(yè)務化海洋預報系統基于HYCOM 2.2建立，在極地與海冰模式CICE耦合在一起，水平分辨率是1/12°，垂直方向是32層的混合坐標，屬于渦旋識別模式，大氣驅動場來自NOGAPS。HYCOM/NCODA使用的數據同化方法是三維多變量最優(yōu)插值(MVOI)。未來5年，HYCOM/NCODA業(yè)務化預報將使用三維變分數據同化方法(3DVAR)，模式水平分辨率將從現在的1/12°提高到1/25°，模式將考慮潮汐強迫和波浪的作用，將實現HYCOM模式與CICE海冰模式、WaveWatchⅢ海浪模式的雙向耦合[20]。

挪威基于HYCOM 2.2.12在大西洋和北冰洋建立了TOPAZ區(qū)域海洋預報系統[21]，垂直方向是28層混合坐標，每周做一次10天預報，數據同化方法是集合Kalman濾波法（100個集合成員），大氣驅動場來自于ECMWF的T799全球大氣模式每6 h的大氣輸出場。

巴西基于HYCOM 2.2.14在大西洋和南大西洋建立了REMO海洋預報系統[22]，水平分辨率分別是1/4°和1/12°，垂直方向是21層的混合坐標，每天做一次7天預報，使用Cooper and Haines的同化方法同化海面高度數據[23]，大氣驅動場是NCEP的GFS模式每3 h的大氣輸出場。

3.3 NEMO模式和Mercator、FOAM、MFS、CONCEPTS海洋預報系統

NEMO海洋模式系統由法國、英國和意大利共同研發(fā)，應用于27個國家的270項科學計劃中。本文關于NEMO模式的介紹主要來自于NEMO 2012年的用戶手冊[24]。NEMO主要包括海洋模式OPA，OPA的切線性伴隨模式TAM（用于數據同化），海冰模式LIM和海洋生物地球化學模式TOP。NEMO模式系統的海洋模式OPA是一個原始方程海洋環(huán)流模式，采用Bousinesq和靜力近似，正交曲線坐標，Arakawa-C網格，垂直坐標可以采用z坐標或者S坐標[34]。OPA海洋模式可以用于模擬預報全球和局地海洋環(huán)流，也可以用于研究海洋與大氣、海冰等之間的關系。物理過程參數化方案和數值計算算法是數值模擬技術的核心技術，OPA海洋模式有多種成熟先進的物理參數化方案和數值計算算法供選擇。物理過程參數化方案包括海洋側向混合、垂向混合、對流、雙擴散混合、底摩擦和潮致混合等參數化方案。垂向混合參數化方案包括KPP[13]、TKE[25]和 GLS[26]。

NEMO模式系統主要用于海洋業(yè)務化預報、海洋科學研究和氣候研究，應用于法國的Mercator[27]、英國的FOAM[28]、意大利的MFS[29]和加拿大的CONCEPTS[5]等海洋預報系統中。Mercator和FOAM的全球海洋預報系統都有1/4°和1/12°兩個版本，全球1/4°版本為高分辨率區(qū)域海洋模式提供邊界條件，全球1/12°版本是渦旋識別模式，可以預報診斷海洋渦旋等；在垂直方向選用z坐標，共50層，在海洋近表層（10 m深度以上）的垂直分辨率可以達到1 m。Mercator全球海洋預報系統每周一次做14天的預報，北大西洋和地中海區(qū)域模式每天一次做7天的預報；大氣驅動場是歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的每3 h的大氣輸出場。加拿大基于NEMO建立了全球（1/4°）和西北大西洋（1/12°）海洋預報系統，還在北美洲五大湖區(qū)建立了水平分辨率為2 km的海洋預報系統。意大利的地中海高分辨率海洋預報系統MFS，是歐洲海洋核心信息服務計劃（MyOcean計劃）的地中海子系統，水平分辨率是1/16°，垂直坐標有72層，在海洋近表層的垂直分辨率是3 m。

Mercator和CONCEPTS系統現在使用的數據同化系統是SAM2，同化方法是奇異演化擴展Kalman濾波法（SEEK）；MFS使用三維變分和松弛逼近法（OCEANVAR同化系統）；FOAM使用客觀分析校正法和三維變分法（NEMOVAR同化系統）。

3.4 MOM模式及其應用

美國海洋大氣管理局地球物理流體力學實驗室（GFDL）研發(fā)的模塊化海洋模式MOM[30]是自由表面原始方程海洋模式，采用非Boussinesq近似和靜力近似，垂直坐標是z坐標，變量空間配置采用Arakawa B網格。MOM采用水平正交坐標，有三個極點，在北極有兩個極點,一個在西伯利亞，另一個在北美大陸。MOM的單一z坐標使其具有一定局限性,但也具有其他優(yōu)點。MOM采用非Boussinesq近似，模式動能方程、動量方程和物理方案基于質量守恒框架，考慮海洋熱容量變化（steric effect）對海洋高度的影響，因此對海面高度的預報優(yōu)于采用Boussinesq近似（體積守恒）的海洋模式。此外，MOM4還考慮月球引潮力對海面高度的影響。MOM的垂直混合參數化方案有KPP、Richardson數決定的渦動混合系數法[31]等。

MOM主要用于海洋氣候系統研究和海洋預報。MOM4是海氣耦合氣候模式GFDL_CM2的海洋模式，MOM3在美國國家環(huán)境預報中心用于預測厄爾尼諾。澳大利亞的BLUElink＞全球海洋預報系統[32]基于MOM4p1模式建立,水平分辨率是1°，在澳洲附近海域水平分辨率是1/10°,垂直坐標是z坐標，共47層，海洋近表層垂直分辨率達5 m，每4天做一次7天預報。國家海洋局海洋環(huán)境預報中心基于MOM4建立了全球和熱帶太平洋海洋預報系統[33]。

3.5 日本的MRI.COM

日本氣象研究所海洋模式MRI.COM[33]基于原始方程，垂直坐標是σ-z混合坐標，共有54層，其中24層位于海洋上200 m。MRI.COM每5天做一次60天的預報，分為全球、北太平洋和西北太平洋三個區(qū)域，分辨率分別為1°、1/2°、1/10°，未來將在日本周邊再嵌套一個分辨率為2 km的預報區(qū)域。大氣驅動場由日本氣象廳（JMA）氣候數據同化系統(JCDAS)提供，使用逐日氣候態(tài)海冰數據。使用三維變分同化船舶報、浮標、溫鹽剖面和衛(wèi)星高度計等資料。

3.6 ROMS模式及其應用

ROMS[34]是自由表面、原始方程海洋模式，采用Bousinesq近似和靜力近似。水平方向使用正交曲線坐標,變量空間配置采用Arakawa C網格,垂直坐標采用S坐標（Stretched Terrain-following Coordinates）。S坐標是一種地形追隨坐標，可以在重點關注海域增加分辨率，比如海洋溫躍層和海底邊界層附近，能夠較好地模擬海洋邊界層（上邊界層和底邊界層）和邊界層流。ROMS垂直混合參數化方案采用的局地閉合方案有MY-2.5[16]、TKE[25]和GLS[26]混合參數化方案，非局地閉合方案有KPP方案[13]。ROMS可以進行四維變分和集合預報。ROMS模式系統的動力框架包括四個模式：非線性模式（NLM）、切線性模式（TLM）、代表切線性模式（RPM）和伴隨模式（ADM），這四個模式可以單獨運行，也可以共同運行。ROMS包含準確高效的物理方案和數值計算方案算子，可以與生物地球化學、生物光學、沉積和海冰等模塊耦合在一起。

ROMS主要應用于海洋近岸和河口海洋環(huán)境預報。美國海軍使用ROMS模式，以菲律賓群島為中心建立了區(qū)域海洋預報系統（100°—140°E，18°S—25°N）。邁阿密大學、NOAA和美國海軍等部門使用ROMS模式在墨西哥灣和加勒比海域建立了區(qū)域海洋預報系統。印度基于ROMS、MOM、HYCOM、Wave Watch III和WAM等海洋模式建立了印度的海洋預報系統（INDOFOS），可以提供全球、印度洋、局地海域、沿岸和定點的海浪、表層流、海表面溫度、混合層深度和溫躍層深度預報。

3.7 POM模式及其應用

POM[35]是一個自由表面、三維斜壓原始方程海洋模式，采用靜力近似和Boussinesq近似，包含完整的熱力學過程。垂直坐標是單一的σ坐標（即地形跟隨坐標），水平坐標是正交曲線坐標，變量空間配置使用Arakawa C網格。垂向混合系數由MY-2.5湍流閉合模型[13]確定。水平時間差分采用顯式格式；垂直時間差分采用隱式格式，垂向不受CFL條件限制，可以在海洋表層和底層提高分辨率。σ坐標適用于地形變化顯著的海域，如河口和陸架斜坡等。湍流閉合模型與σ坐標的完美結合，能夠使POM模式比較理想地模擬出海洋底邊界層，這對研究海岸和河口動力過程、海洋底層水形成過程、海盆斜壓性等具有重要意義。

POM模式可以模擬海洋中的多尺度現象，比如河流、河口、海洋大陸架和斜坡、湖泊、半封閉海域、外海的海洋環(huán)流和海洋混合過程。POM模式被廣泛地應用于海洋近岸、河口的海洋業(yè)務化預報（溫、鹽、流、水位）和研究中，應用海域包括西北大西洋、西北太平洋、美國東海岸、墨西哥灣和哈得遜灣、北冰洋、地中海、中國近海等。國家海洋局海洋環(huán)境預報中心和第一海洋研究所基于POM模式建立了全球和區(qū)域海洋預報系統（見表1）[36]。

4 海洋預報系統的發(fā)展趨勢

海洋預報的發(fā)展離不開海洋科學基礎理論、海洋觀測、海洋資料同化、數值模擬和高性能計算機等技術的發(fā)展進步。海洋預報系統的發(fā)展趨勢主要有以下五點。

（1）高分辨率高精度海洋模式的發(fā)展

高分辨率高精度海洋模式需要準確的大氣驅動場、豐富的海洋觀測資料、先進的海洋數據同化技術、成熟的海洋物理過程參數化方案和高性能并行計算技術等。人類社會的需求驅動高分辨率高精度海洋模式的發(fā)展。海洋斜壓Rossby波變形半徑遠小于同緯度大氣斜壓Rossby波變形半徑，因此，模擬海洋中小尺度現象需要更高的模式水平分辨率。高分辨率海洋模式能夠模擬預報海洋沿岸流、海洋渦旋、海洋鋒等海洋中小尺度過程。海洋中尺度渦是重要的“海洋天氣現象”，模擬和預報海洋渦旋是未來物理海洋模式的發(fā)展趨勢之一。模式水平分辨率的提高意味著計算量以級數倍增加，需要高性能并行技術優(yōu)化海洋模式，提高計算速度和效率。

（2）海洋觀測特別是海洋遙感的發(fā)展

21世紀初，海洋觀測有了較大發(fā)展，但是還是不能滿足海洋環(huán)境業(yè)務化預報的需求。海洋觀測的發(fā)展將為海洋業(yè)務化預報提供更加豐富準確的準實時觀測資料。海洋觀測數據的快速傳輸依賴于發(fā)達的信息傳輸網絡。海洋觀測系統實驗（OSE）和海洋觀測系統模擬實驗（OSSE）[37]可以規(guī)劃設計和檢驗評估海洋觀測系統。

在全球大氣模式中，氣象衛(wèi)星遙感資料占所有同化資料的90%。海洋衛(wèi)星遙感將發(fā)展成為海洋觀測的主要手段，極大地豐富準實時觀測數據來源。2020年前，中國將有18顆陸海資源衛(wèi)星在軌運行，其中包括8顆海洋衛(wèi)星，海洋衛(wèi)星遙感產品的業(yè)務化應用將是重點研究方向。

（3）海洋數據同化技術的發(fā)展

研究同化海洋多源觀測資料特別是海洋衛(wèi)星遙感資料的數據同化方法，比如三維變分，四維變分，Kalman濾波，變分同化和集合Kalman濾波的結合方法等。大氣四維變分同化已經實現了業(yè)務化應用，但是海洋四維變分業(yè)務化應用困難比較大，主要原因是計算量太大。王斌等人[38]發(fā)展了后向映射四維變分法，該方法考慮了模式約束，同化后的初值場和模式協調，計算量小，不需要伴隨，協方差流依賴。

（4）海洋物理過程參數化方案的完善優(yōu)化

海洋物理過程參數化方案的優(yōu)化需要大量模擬實驗和模式檢驗評估反饋，根據所關注現象的時空尺度等特點的不同，同一物理過程適用的參數化方案可能也不同。海洋關鍵物理過程參數化方案主要包括：海洋中小尺度過程參數化方案、海洋垂直過程參數化方案、海洋側向混合參數化方案、潮汐潮流參數化方案、波致混合參數化方案、河口徑流參數化方案、太陽短波輻射參數化方案等。潮汐潮流參數化方案考慮太陽和月亮潮汐引潮力的影響，現在有的潮波模式考慮了11個分潮。作為海氣邊界層重要海洋現象的海浪，對于大氣海洋之間的動量、水汽和物質的交換起著重要作用，對于海洋混合和海流的模擬具有重要意義。太陽短波輻射對海水的輻射加熱與地理位置、海水深度、海水光學性質、海洋生態(tài)環(huán)境等有關。Morel and Antoine的短波穿透模式[39]是常用的太陽短波輻射參數化方案，考慮了太陽短波輻射三個光譜段的衰減吸收。隨著海洋衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展，同化海洋水色衛(wèi)星遙感產品，可以顯著提高對太陽短波輻射加熱的模擬水平。

（5）海洋環(huán)境多學科要素預報和耦合模式的發(fā)展

地球氣候系統是一個多圈層相互作用的復雜系統，海洋子系統起著重要作用。海洋、大氣、海浪、海冰、陸地、生態(tài)、化學等模式之間的耦合是海洋環(huán)境預報的研究熱點。例如，國外內有關學者已經實現了WRF區(qū)域大氣模式和ROMS區(qū)域海洋模式的耦合，物理海洋模式和生態(tài)模式的耦合(第2部分有介紹)，美國海軍已經實現中尺度海氣耦合模式COMAPS和NCOM的雙向耦合。海洋環(huán)境耦合模式的數據同化技術也是難點之一。例如，海洋和大氣的時空特征尺度、模式時間積分步長和模式敏感度不一樣，使得大氣海洋耦合模式的數據同化更加復雜。

[1]Bell M J,Lefèbvre M,Le Traon PY,et al.GODAE:The Global-Ocean Data Assimilation Experiment[J].Oceanography,2009,22(3):14-21.

[2]Dombrowsky E,Bertino L,Brassington G B,et al.GODAE systems in operation[J].Oceanography,2009,22(3):80-95.

[3]GODAE OceanView Science Team.GODAE OceanView National Reports 2011[R].Paris:The 3rd meeting of the GODAE Ocean View Science Team,2011.https://www.godae-oceanview.org/outreach/meetings-workshops/govst-iii-meeting/report/

[4]中國氣象數值模式聯盟.各種海洋模式及網站鏈接http://www.mnmuc.org/thread-137-1-1.html

[5]Canada GODAE OceanView Science Team.GODAE Ocean-View National Reports 2011:Canada CONCEPTS[R].Paris:The 3rd meeting of the GODAE OceanView Science Team,2011.https://www.godae-oceanview.org/outreach/meetings-workshops/govst-iii-meeting/report/.

[6]Chelton D B,DeSzoeke R A,SchlaxM G,et al.Geographical Variability of the First Baroclinic Rossby Radius of Deformation[J].J.Phys.Oceanogr.,1998,28(3):433-460.

[7]Hurlburt H E,Chassignet E P,Cummings J A,et al.Eddy-resolving global ocean prediction[J].Ocean Modeling in an Eddying Regime,Geophys.Monogr.Ser.,2008,177:353-381.

[8]Clark C,the In Situ Observing System Authors,Wilson S and the Satellite Observing System Authors.An overview of global observing systems relevant to GODAE[J].Oceanography,2009,22(3):22-33.

[9]Cummings J,Bertino L,Brasseur P,et al.Ocean data assimilation systems for GODAE[J].Oceanography,2009,22(3):96-109.

[10]Brasseur P,Gruber N,Barciela R,et al.Integrating biogeochemistry and ecology into ocean data assimilation systems[J].Oceanography,2009,22(3):206-215.

[11]Rhodes R C,Hurlburt H E,Wallcraft A J,et al.Navy Real-time Global Modeling Systems[J].Oceanography,2002,15:29-43.

[12]Bleck R,Halliwell G,Wallcraft A,et al.Hybrid Coordinate Ocean Model User’s Manual[M],2002.

[13]Large W,McWilliams J,Doney S.Oceanic vertical mixing:A review and a model with nonlocal boundary layer parameterization[J].Rev.Geophys.,1994,32:363-403.

[14]Bleck,R.An oceanic general circulation model framed in hybrid isopycnic-Cartesian coordinates[J].Ocean Modelling,2002,4:55-88.

[15]Price J F,Weller R A,Pinkel R.Diurnal cycling:Observations and models of the upper ocean response to diurnal heating,cooling,and wind mixing[J].J.Geophys.Res.,1986,91:8411-8427.

[16]Mellor G L,Yamada T.Developement of a turbulence closure model for geophysical fluid problems[J].Rev.Geophys.Space Phys.,1982,20:851-875.

[17]Canuto V M,Howard A,Cheng Y,et al.Ocean turbulence.Part I:One-point closure model.Momentum and heat vertical diffusivities[J].J.Phys.Oceanogr.,2001,31:1413-1426.

[18]Canuto V M,Howard A,Cheng Y,et al.Ocean turbulence.Part II:Vertical diffusivities of momentum,heat,salt,mass,and passive scalars[J].J.Phys.Oceanogr.,2002,32:240-264.

[19]Tolman H and Mehra A.GOVST-III meeting presentations:RTOFS Global Status and Plans[R].Paris:The 3rd meeting of the GODAE OceanView Science Team,2011.https://www.godae-oceanview.org/outreach/meetings-workshops/govst-iii-meeting/presentations/.

[20]Chassignet E,Cummings J,and Hogan P.GOVST-III meeting presentations:HYCOM reports[R].Paris:The 3rd meeting of the GODAE OceanView Science Team,2011.https://www.godae-oceanview.org/outreach/meetings-workshops/govst-iii-meeting/presentations/.

[21]Norway GODAE OceanView Science Team.GODAE Ocean-View National Reports 2011:Norway TOPAZ[R].Paris:The 3rd meeting of the GODAE OceanView Science Team,2011.https://www.godae-oceanview.org/outreach/meetings-workshops/govst-iii-meeting/report/.

[22]Brazil GODAE OceanView Science Team.GODAE OceanView National Reports 2011:Brazil REMO[R].Paris:The 3rd meeting of the GODAE OceanView Science Team,2011.https://www.godae-oceanview.org/outreach/meetings-workshops/govst-iii-meeting/report/.

[23]Cooper M and Haines K.Altimetric assimilation with water property conservation[J].J.Geophys.Res.,1996,101(C1):1059-1077.

[24]Gurvan M and the NEMO team.NEMO ocean engine[M].France,Note du Pole de modélisation,Institut Pierre-Simon Laplace(IPSL),2012.http://www.nemo-ocean.eu/About-NEMO/Reference-manuals

[25]Bougeault P and Lacarrere P.Parameterization of orography-induced turbulence in a mesobeta-scale model[J].Mon.Wea.Rev.,1989,117(8):1872-1890.

[26]Umlauf L,Burchard H.A generic length-scale equation for geophysical turbulence models[J].J.Mar.Sys.,2003,61(2):235-265.

[27]France GODAE OceanView Science Team.GODAE Ocean-View National Reports 2011:France Mercator[R].Paris:The 3rd meeting of the GODAE OceanView Science Team,2011.https://www.godae-oceanview.org/outreach/meetings-workshops/govst-iii-meeting/report/

[28]UK GODAE OceanView Science Team.GODAE OceanView National Reports 2011:UK FOAM[R].Paris:The 3rd meeting of the GODAE OceanView Science Team,2011.https://www.godae-oceanview.org/outreach/meetings-workshops/govst-iii-meeting/report/

[29]Italy GODAE OceanView Science Team.GODAE OceanView National Reports 2011:Italy MFS[R].Paris:The 3rd meeting of the GODAE OceanView Science Team,2011.https://www.godae-oceanview.org/outreach/meetings-workshops/govst-iii-meeting/report/

[30]Griffies S M.ELEMENTS OF MOM4P1.Princeton:NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory,2010.http://www.gfdl.noaa.gov/ocean-model

[31]Pacanowski R C and Philander G.Parameterization of vertical mixing in numerical models of the tropical ocean[J].J.Phys.Oceanogr.,1981,11:1442-1451.

[32]Australia GODAE OceanView Science Team.GODAE Ocean-View National Reports 2011:Australia BLUElink[R].Paris:The 3rd meeting of the GODAE OceanView Science Team,2011.https://www.godae-oceanview.org/outreach/meetings-workshops/govst-iii-meeting/report/

[33]Japan GODAE OceanView Science Team.GODAE OceanView National Reports 2011:Japan MOVE/MRI.COM[R].Paris:The 3rd meeting of the GODAE OceanView Science Team,2011.https://www.godae-oceanview.org/outreach/meetings-workshops/govst-iii-meeting/report/.

[34]ROMS海洋模式網站.ROMS用戶手冊https://www.myroms.org/wiki/index.php/Documentation_Portal.

[35]Mellor,G.L.,Users Guide for a Three-Dimensional,Primitive Equation Numerical Ocean Model.Available on the Princeton Ocean Model web site[M].2004，Web site:http://www.aos.princeton.edu/WWWPUBLIC/htdocs.pom/.

[36]Wang H.GOVST-III meeting presentations:China-NMEFC[R].Paris:The 3rd meeting of the GODAE OceanView Science Team,2011.https://www.godae-oceanview.org/outreach/meetings-workshops/govst-iii-meeting/presentations/.

[37]Oke P R,Balmaseda M A,Benkiran M,et al.Observing system evaluations using GODAE systems[J].Oceanography,2009,22(3):144-153.

[38]Wang B,Liu J J,Wang S D,et al.An economical approach to four-dimensional variational data assimilation[J].Adv.Atmos.Sci.,2010,27(4):715-727.

[39]Morel A and Antoine D.Heating rate within the upper ocean in relation to its bio-optical state[J].J.Phys.Oceanogr.,1994,24:1652-1665.

表1 21世紀初國際先進的海洋預報系統

續(xù)表