我國海洋氣象數值預報業務發展與思考

黃彬閻麗鳳楊超徐晶

（1 國家氣象中心，中國氣象局，北京 100081；2 山東省氣象局，濟南 250000）

我國海洋氣象數值預報業務發展與思考

黃彬1閻麗鳳2楊超1徐晶1

（1 國家氣象中心，中國氣象局，北京 100081；2 山東省氣象局，濟南 250000）

近年來，我國海洋氣象數值預報業務有了一定的進展，國家級和沿海省臺建立了海霧、海浪、風暴潮等一些海洋氣象數值預報模式。通過對我國沿海省臺業務應用中的海洋氣象數值預報模式的調查，概述了我國現行海洋氣象數值預報業務模式的發展現狀，分析了海洋氣象數值預報目前存在的問題和面臨的挑戰，并探討了未來的發展方向。

海洋氣象，數值預報，業務發展

1 引言

我國海洋氣象預報業務經過近幾年的發展,取得了長足進步,已經初步建立了國家級、海洋區域中心級、省級共3級的海洋氣象預報預警服務業務體系[1-4]。海洋氣象的技術支撐體系——海洋氣象數值預報模式也得到發展和應用[5]。除大氣數值預報模式外,還有海霧、海浪、風暴潮、海洋污染物擴散等海洋氣象數值模式應用于國家氣象中心和沿海各省級海洋氣象預報服務業務中,為海洋服務提供技術支持和客觀產品。本文旨在分析目前我國的海洋氣象數值預報業務產品研發和使用現狀,為我國海洋氣象數值模式高效、集約發展和未來長遠規劃提供思路。

2 海洋氣象數值預報的業務進展

2.1 國外海洋氣象數值預報發展

從20世紀70年代開始,美國有專職的研究機構Marine Modeling and Analysis Branch(MMAB)和Meteorological Development Laboratory(MDL)發展專業化的海洋氣象數值預報,并負責把模式產品轉化應用到業務中,業務單位負責評估和檢驗并反饋給研究機構改進模式,形成研發→業務轉化應用→評估→再研發的循環機制。

2.1.1 海霧數值預報模式

美國于1989年初步建立了能見度數值預報系統,為預報員提供客觀指導產品。系統提供4—9月的北太平洋和北大西洋的霧和能見度12h間隔的72h預報,當時的預報產品還不適用于沿岸地區。1998年,新的預報系統在全球預報模式(GFS)里嵌入了云模式,并使用了Stolinga和Warner提出的一個能見度計算公式[6]。目前版本的預報系統(NCEP MMAB Global Visibility System,2006年)是建立在GFS模式基礎上的,輸出結果為能見度,范圍為0～20000m,預報時效為168h,預報間隔3h,每天起報4次。

2.1.2 海浪數值預報模式

海浪的預報方法分為人工預報方法和數值預報方法。人工預報方法包含由風資料計算海浪要素的預

報方法、海浪經驗統計預報方法和半經驗半理論預報方法。20世紀50年代至今,海浪數值預報模式得到了迅速發展。目前的主要計算模型可以分為3類：第1類是基于Boussinesq方程的計算模型,是直接描述海浪波動過程水質點運動的模型；第2類是基于緩波方程的計算模型,它是基于海浪要素在海浪周期和波長的時空尺度上緩變的事實；第3類是基于能量平衡方程的計算模型,主要用于深海和陸架海的海浪計算,但是對于近岸較大范圍波浪計算也有很大優勢。1983—1986年,德國、荷蘭、英國、法國、挪威等國的40多名海洋專家研究發展了適用于全球深水和淺水的海浪數值計算模式。它采用當今各種海浪理論研究和海浪觀測新成果,應用了物理上較合理、計算上較精確的源函數,在計算時對算法進行優化,使它成為代表當今海浪預報技術世界水平的海浪數值計算模式。第3代海浪模式的特征是直接計算波波非線性相互作用,將海浪模擬歸結為各源函數的計算。目前應用較為廣泛的第3代海浪模式主要有WAM模式、SWAN模式和WAVEWATCH模式等。

2.1.3 風暴潮數值預報模式

風暴潮的預報方法很多,總體分為兩大類：經驗統計預報方法和數值預報方法。

經驗統計預報方法主要是基于長期的歷史資料,用數理統計的方法建立氣象要素與特定地點的風暴潮之間的經驗函數關系。該方法主要包含相似型預報法和單站經驗統計方法。隨著計算機技術的不斷進步,數值預報方法已經成為世界各國進行風暴潮預報采用的主要方法,風暴潮的數值計算始于20世紀50年代, 70年代達到昌盛時期。進入21世紀,風暴潮模式的研究主要集中于近岸浪—風暴潮—潮汐和洪水的多向耦合數值預報研究、風暴潮漫堤漫灘風險預報研究,以及應用這些模式進行沿海重要區域和城市的風暴潮災害風險評估和區劃工作。在美國,Jelesnianski[7]進行了不考慮和考慮底摩擦的風暴潮數值計算,并于1972年建立了著名的SPLASH模式。進入20世紀80年代,美國在SPLASH模式的基礎上又進行了SLOSH模式的研究,這個模式能預報海上、陸地以及大湖區的臺風風暴潮,在風暴潮防災減災中發揮了較大作用,該模式在全世界廣泛使用,并于20世紀80年代末由國家海洋環境預報中心引入中國。英國的自動化溫帶風暴潮預報模式“海模式”(Sea Model)于20世紀70年代問世,“海模式”是Bidston海洋研究所在Heaps的二維線性模式的基礎上發展起來的。日本氣象廳于1998年開始業務化運行臺風風暴潮數值預報,并在風暴增水中耦合了天文潮預報。近幾年,日本氣象廳發展了基于多臺風路徑的風暴潮集合預報系統并投入業務化運行。

2.2 國內海洋氣象數值預報發展

國家氣象中心、海洋區域氣象中心(天津、上海、廣東)和沿海省市氣象部門建立了基于全球或區域大氣模式的海洋數值預報系統,開發的海洋氣象數值模式主要有海霧、海浪、風暴潮。

海洋氣象數值模式在海洋氣象服務方面發揮了顯著效益。海洋氣象數值預報不僅為精細化的海洋保障服務提供了技術支持,如2008年奧運青島奧帆賽氣象保障服務中5km分辨率黃渤海海浪模式、黃渤海海霧模式提供了大量精細化客觀產品；而且,海洋氣象數值預報為海洋災害(海上大風、海霧、風暴潮)的預警提供技術支撐,模式可以提前對海洋災害天氣的發生給予警示作用；同時,模式為滿足快速增長的專業化服務需要提供客觀產品,海洋專業化服務需求中長期預報時效產品,目前海洋氣象對外發布72h時效主觀預報產品,海洋氣象數值預報彌補了主觀預報的不足,如海上大風、海浪模式可以提供240h長時效的全球客觀數值預報產品。模式也為亞丁灣海軍護航、利比亞海上撤僑、日本核泄漏海洋污染擴散等遠海海域預報服務產品提供了客觀技術保障。

盡管國家級、海洋區域中心、沿海省臺開發了海洋氣象數值預報模式,但是海洋氣象數值預報模式的種類和數量不等,且采用的基礎模式的版本各家不一,模式的預報區域重疊,模式產品互相不共享,沒有形成高效節約的海洋氣象模式發展框架結構體系。下面具體闡述每類海洋氣象模式的開發狀況。

2.2.1 海霧數值模式

海霧模式(表1)基本是對WRF模式加以優化,在海霧生消變化規律的基礎研究上,綜合考慮大氣邊界層、云輻射等方案,結合地表能量收支、海鹽粒子、液態水重力沉降等物理因素,對海霧進行數值模擬和預報。運行海霧模式的有國家氣象中心、河北省氣象局、山東省氣象局、上海市氣象局、浙江省氣象局、福建省氣象局,模式分辨率從15km到30km不等,預報時效從24h到168h不等,氣象背景場有T639、GFS模式輸出、T213模式輸出等幾種背景場資料,開發單位有中國氣象局臺風海洋預報中心和數值預報中心、中國海洋大學、上海臺風所、上海海洋氣象臺、浙江省氣象局、福建省氣象局6家單位,其中,中國海洋大學開發的同一版本海霧RAM模式在河北省氣象局和山東省氣象局運行。

表1 海霧（能見度）數值預報模式

2.2.2 海浪模式

參加海浪模式(表2)研發的有中國氣象局數值預報中心、中國氣象局臺風海洋預報中心、中國海洋大學、解放軍理工大學、上海臺風所、福建省氣象臺、廣東熱帶所、天津氣科所,海浪模式所有開發單位均采用目前應用較為廣泛的WAVEWATCHⅢ海浪模式。從運行的海浪模式范圍來看,全球范圍的海浪模式有3套,國家氣象中心運行分別基于T213、T639兩套全球海浪模式,上海海洋氣象臺運行一套全球海浪模式；西北太平洋區域海浪模式有4套,分別在國家氣象中心、天津市氣象局、上海市氣象局、江蘇省氣象局應用；對于近海,各家海浪模式預報區域重疊較多,如國家氣象中心、遼寧省氣象局、天津市氣象局、山東省氣象局均運行黃渤海海浪模式,國家氣象中心、福建省氣象局、廣東省氣象局運行模式分辨率不等的東海和南海海域海浪模式。

2.2.3 風暴潮模式

風暴潮模式(表3)主要包含臺風和溫帶風暴潮模式,采用三角網格,在沿岸風暴潮敏感區域的分辨率可達幾百米,模式采用干濕網格判別方法,可以模擬風暴潮漫灘過程。從調查表格中可以看出有國家氣象中心、遼寧省氣象局、河北省氣象局、天津市氣象局、山東省氣象局、上海市氣象局、廣東省氣象局七家單位運行風暴潮模式,但是采用的基礎模式也有7種之多,各個模式之間沒有開展模式性能的比較。參加風暴潮模式研發的有中國氣象局數值預報中心、中國氣象局臺風海洋預報中心、中國海洋大學、上海臺風所、廣州熱帶所、天津氣科所。僅黃渤海風暴潮模式有國家氣象中心、遼寧省氣象局、河北省氣象局、天津市氣象局、山東省氣象局、上海市氣象局6家單位運行,且模式的核心版本、分辨率、氣象背景場不同。

表2 海浪數值預報模式

表3 風暴潮數值模式

我國的海洋氣象數值模式總體來看技術輻射能力沒有建立,國家級和海洋區域中心均沒有下發海洋數值預報產品。模式研發主要以科研院所為主,同一個科研單位參與開發多種海洋氣象數值預報產品。海浪模式基礎模式一致,但氣象背景場多,重復開發。風暴潮核心模式版本多,但是各種版本的模式沒有比較。

3 問題與挑戰

從海洋氣象專業模式現狀分析上可以看出,海洋數值模式對海洋氣象業務的支撐能力有了初步體現,形成了一定的技術支撐作用。但是也可看到,海洋氣象數值預報建設水平參差不齊、研究力量分散且低水平重復；海洋氣象數值預報集約化程度不高、技術輻射能力低,還沒有形成高效共享的海洋氣象科技支撐體系。主要表現在以下方面：

(1)海洋氣象數值預報開發種類和數量不等

國家級、海洋區域氣象中心和省市級海洋氣象預報開發的海洋氣象數值預報產品數量不等。國家級開發了海霧、海浪、風暴潮、海洋污染物擴散4種海洋氣象數值預報產品,海洋區域氣象中心和沿海省臺運行海洋氣象數值預報的數量不等,浙江、廣西只有能見度模式,江蘇只有海浪模式,遼寧、河北有海浪和風暴潮兩種海洋氣象數值預報,海南沒有海洋氣象數值預報。

(2)海洋氣象數值預報研究力量分散且技術輻射能力不足

省市級氣象部門海洋氣象數值預報基本是依托科研院所,開發海洋氣象數值預報的天津氣科所、上海臺風所、中國海洋大學、廣州熱帶所參與所有種類海洋氣象數值預報的開發,而不是發揮自身的特長,集中力量開發一種或兩種海洋氣象數值預報,這樣勢必造成研究力量分散。而且,海洋氣象數值預報產品并沒有有效地輻射到沿海省臺或市級海洋氣象臺,國家級和海洋區域氣象中心的海洋氣象數值預報產品基本上是內部使用,包括國家級在內的部分海洋氣象數值預報產品并沒有下發。

(3)海洋氣象數值預報以引進為主,缺少后續的改進和更新

沿海省臺海洋氣象數值預報主要是引進科研院所的模式,或者是引入本地化運行的模式,對模式的性能沒有深入的了解,伴隨后期業務和服務的需求不斷擴展,但卻缺少對模式長遠研發規劃的支持和連貫性,科研院所由于沒有后續科研項目的支撐也沒有改進和跟蹤服務的動力,因此海洋氣象數值預報引進后改進和更新很少,幾乎處于維持不動的狀態。

(4)缺乏對海洋氣象數值預報的檢驗

由于海洋觀測資料匱乏和科研院所資料獲取的局限性,海洋氣象數值預報在投放業務單位運行前,都沒有做過長時間序列的檢驗和評估,對模式預報產品質量的好壞也沒有細致地分析。

4 海洋氣象數值預報發展思考和建議

(1)加強總體設計和籌劃,合理布局

為有效推進海洋氣象精細化預報業務建設,應切實加強海洋氣象專業模式的發展。在海洋氣象數值預報發展中,應加強頂層設計和謀劃,做到海洋氣象數值預報業務的合理布局。國家級發展高分辨率的近海、遠海全海域的海洋氣象數值預報,海洋區域中心在國家級海洋氣象數值預報的基礎上,運行或發展近岸沿海更高分辨率的海洋氣象模式向市縣一級輻射的3級海洋氣象數值預報的框架體系。3個區域中心拼接成覆蓋中國沿岸及整個沿海的海洋數值預報產品,

拼接的中國沿海海域數值預報產品一方面下發,另一方面上傳到共享平臺。無論是國家級還是區域級運行的海洋氣象數值預報對產品的種類和表現形式協調統一,分辨率和時效也要做統一規劃。

(2)集中研發力量,發揮科研院所在某一領域專長

目前在海洋氣象方面還沒有形成成熟完善的海洋氣象科技支撐體系,從國外海洋氣象的發展趨勢來看,海洋氣象數值預報以發展高分辨率海陸氣耦合的海洋氣象數值模式為基礎,同化海洋資料再發展不同的海洋氣象數值模式。國內海洋氣象數值預報應集中幾個重要的海洋氣象研究方向,發揮科研院所對某一領域的專長,集中優勢深入研究該方向的海洋氣象數值模式。

(3)積極推進模式檢驗和數值預報釋用工作

海洋氣象數值預報應用單位應聯合模式研發的科研院所共同開展模式檢驗工作。業務單位在模式本地化運行后,應不斷加強模式的檢驗和應用效果評估工作,并集中反饋給科研單位,為后續的模式改進和深入研發提供一手的資料。

海洋氣象精細化預報業務應以數值預報(大氣、海洋模式)發展為基礎,積極開展模式產品解釋應用工作。開展基于數值預報基礎的海霧、海上大風等災害等級使用產品,海上強對流、近岸強風等突發災害應結合數值預報和當地預報經驗,開展動力統計等解釋應用工作。結合預報員預報經驗的數值預報釋用方法是沿岸、沿海開展海洋氣象防災減災的有效途徑之一。

(4)推進海洋集合預報研究和應用,豐富產品的種類和表現形式

海洋服務和陸地還是有所區別,陸地局限于固定區域,海洋服務的范圍更廣泛,涉及到遠海乃至3大洋領域,因此發展海洋至遠海的長時效海洋氣象數值預報產品,可以彌補主觀預報的不足。為了更好地提高海洋氣象數值預報的準確率,應著力推進發展海洋集合預報,開展多模式的海上大風、海霧、海浪、海上強對流等的集合預報技術,同時不斷豐富海洋氣象數值預報產品的表現形式和海洋氣象數值預報產品的種類。

[1]崔玉璽, 陸家璉, 方維模, 等譯. 海洋氣象服務手冊與指南. 北京:氣象出版社, 1990.

[2]中國氣象局. 中國氣象現代化60年. 北京: 氣象出版社, 2009.

[3]矯梅燕，章國材，曲曉波. 現代天氣業務（上冊）. 北京: 氣象出版社, 2010.

[4]矯梅燕. 關于提供天氣預報準確率的幾個問題. 氣象, 2007, 33(11): 3-8.

[5]尹盡勇, 徐晶, 曹越男, 等. 海洋氣象預報業務現狀與發展. 氣象科技進展, 2012, 2(6): 17-26.

[6]Stoelinga M T, Warner T T. Nonhydrostatic, mesobeta-scale model simulations of cloud ceiling and visibility for an east coast winter precipitation event. Journal of Applied Meteorology, 1999, 38(4): 385—404.

[7]Jelensnianski CP. SPLASH (Special program to list amplitudes of surges from hurricanes) I. Landfall Storms. NOAA Technical Memorandum. NWS TDL-46, 1972.

Development of Marine Meteorological Numerical Prediction in China

Huang Bin1, Yan Lifeng2, Yang Chao1, Xu Jing1
(1 National Meteorological Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081 2 Shandong Province Meteorological Bureau, Jinan 250000)

In recent years, China's marine meteorological numerical prediction has achieved some progress. National-level cities and coastal provinces have established a number of sea-fog, wave, storm-tide-ranging marine meteorological numerical prediction models. Through the investigation of marine meteorological numerical prediction models in China's coastal provinces and their application, this paper summarizes the development status of the Chinese marine meteorological numerical prediction model, analyses the existing marine meteorological numerical prediction problems and challenges, and discusses the future development and suggestion of marine meteorological numerical prediction.

marine meteorological, numerical forecasting, professional development

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.03.010

2013年5月13日；

2013年12月12日

黃彬（1971—），Email：hbzbj199928@163.com

資助信息：公益性行業（氣象）科研專項（GYHY201206001）