氣象強迫場時間頻率對ROMS模式高分辨率數值模擬的影響分析

周立佳，黨振中，董慧超，白東宇，艾 陽

（1.海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018；2.海軍海洋水文氣象中心，北京 100000；3.中國人民解放軍91910部隊，遼寧 大連 116018；4.東海艦隊水文氣象中心參謀部37分隊，浙江 寧波 315122）

氣象強迫場時間頻率對ROMS模式高分辨率數值模擬的影響分析

周立佳1，黨振中2，董慧超3，白東宇2，艾 陽4

（1.海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018；2.海軍海洋水文氣象中心，北京 100000；3.中國人民解放軍91910部隊，遼寧 大連 116018；4.東海艦隊水文氣象中心參謀部37分隊，浙江 寧波 315122）

利用海洋數值模式對海洋環流、潮汐、溫鹽場等進行模擬，是目前海洋科學研究中的重點方向。覆蓋渤海、黃海、東海的中國近海廣闊海域是海-氣相互作用的顯著作用區，氣象場對數值模式的驅動對該海域模擬的效果具有顯著的影響。通過設計對比實驗，在不同時間頻率氣象強迫場條件下，利用ROMS模式對中國近海海域的數值模擬研究進行對比分析，為中國近海海域高分辨率海洋再分析和數值預報提供理論支持。

渤海；黃海；東海；ROMS模式；海氣相互作用

渤海、黃海和東海陸架形成寬廣的陸緣淺海，且3個海區由北向南緊靠著中國大陸[1]。渤海和黃海構成一個淺的向東海敞開的海灣，穿過該海灣中部偏東有一個淺的海槽，它向南一直可以通至東海的沖繩海槽北端。東海大部分是一寬廣陸架，陸架北鄰黃海，東北通過朝鮮海峽（或稱對馬海峽）和日本海相接，南面通過臺灣海峽和南海相連。黃河從渤海南部流入渤海，長江則在上海附近注入東海。

海洋與大氣之間存在質量、動量以及熱量的輸送，例如海面風場對海洋的強迫作用。海面風場是海洋上層運動的主要動力來源,不僅直接影響海氣之間的動量和熱量交換,而且是區域和全球海洋環流的動力來源,維持著區域與全球的氣候,更是氣象預報和海氣相互作用研究中的重要參數[2]。廣闊的中國近海海區是典型的季風氣候區,每年的冬季多偏北風而夏季多偏南風,春秋兩季多發生季風的轉換,這種隨季節變化而產生的風速風向變化,導致中國近海受到顯著的海-氣相互作用的影響。

ROMS模式是在海洋科學研究中應用廣泛的三維、自由表面、隨底坐標的原始方程模式。近年來，國內外學者開始利用ROMS模式對中國近海海域進行研究，取得了豐富的研究成果[3-5]。氣象強迫場的質量是影響模式模擬效果的重要因素。本文通過設計對比實驗，在不同時間頻率氣象強迫場條件下，利用ROMS模式對中國近海海域的數值模擬研究進行對比分析，為中國近海海域高分辨率海洋再分析和數值預報提供理論支持。

1 ROMS模式介紹

1.1 ROMS模式框架

在本研究中，使用區域海洋動力模式（Regional Ocean Modeling System，簡稱ROMS），ROMS模式是近年海洋科學研究中應用廣泛的三維、自由表面、隨底坐標的原始方程模式。ROMS是由美國新澤西羅格斯大學（Rutger University）與加州大學洛杉磯分校(University of California，Los Angeles)共同研發的。ROMS模式可以進行單獨的海洋模式計算，也可以與大氣模式等進行耦合計算。

ROMS模式包括準確、高效的物理和數值算法，生物地球化學、生物-光學、沉積物、海冰等模塊，這些模塊可以單獨模擬也可以耦合計算。同時，ROMS模式還包括幾個不同的垂向混合方案、多層擬合和網格方案。此外，ROMS模式包括為強約束變分資料同化和弱約束變分資料同化設計的驅動程序，并利用驅動程序用來檢測TLM、RPM和ADM等算法的準確性。

1.2 控制方程

ROMS模式采用了Boussinesq近似和準靜力近似。Boussinesq近似僅在垂直方向運動方程的浮力項中考慮水體密度差異的影響。準靜力近似認為近岸海域里的垂向尺度遠小于水平尺度，即垂直壓強梯度力與重力平衡。ROMS模式在笛卡爾坐標系中控制方程如下：

運動方程：

連續方程：

標量（溫度、鹽度）控制方程：

狀態方程：

式中：Fu，Fv，Fc為強迫項；Du，Dv，Dc為擴散項；f(x,y)為科氏參數；g為重力加速度；φ(x,y,z,t)為壓強項（φ=P/ρ0）。

2 模式配置

2.1 模式區域及網格設置

模式區域包括渤海、黃海、東海、南海東北部部分海域以及西北太平洋部分海域（116°E～137°E，18°N～42°N）。模式網格水平分辨率為1/24°，約3.9 km×3.9 km，總網格數為503×673；模式垂向分為48層，垂直方向的坐標拉伸參數設置為θ=8.0和b=0，即在底層不進行加密處理，而對表層進行加密處理；模式地形最大深度設為5 000 m。地形數據為美國全國地球物理資料中心（National Geophysical Data Center，NGDC）的ETOPO2數據，水平分辨率為2’×2’。

圖1 模式覆蓋區域，包括整個東海、南海東北部部分海域以及西北太平洋部分海域（116°E～137°E，18°N～42°N）

圖2給出了東海沿28°N的緯向網格垂向剖面示意圖，從圖中可以看出在垂直方向對表層進行了加密處理，且垂向網格可以較好地表征地形的變化，有利于模擬潮汐與地形相互作用下內潮產生時地形的強迫作用。同時，圖2標注了東海的主要地形特征，自東向西依次為中國東海大陸架、沖繩海槽、琉球群島島鏈以及琉球海溝，結合圖2可以發現其地形特征沿西南至東北方向分布。在東海大陸架外緣的大陸架斜坡非常陡峭，直接與北淺南深的沖繩海槽相連。沖繩海槽東南方向是琉球群島島鏈，琉球群島島嶼眾多，地形變化比較劇烈。

圖2 模式S坐標垂向分層剖面示意圖（東海沿28°N的垂向分層(θ=8.0，b=0)，垂向共分48層）

2.2 時間步長的選取

為提高計算效率，ROMS模式采用時間分裂算法。模式將計算過程分為內模態（斜壓積分）和外模態（正壓積分）兩個步驟分別進行，內外模式耦合計算。外模態采用顯式算法，根據CFL線性穩定性條件和重力外波的波速，決定外模態計算的積分步長，所以外模態要求較小的時間步長；內模態采用隱式算法，根據CFL線性穩定性條件與重力內波的波速，決定內模態積分步長，內模態要求的時間步長較長。本文選取的內模態時間步長為120 s，外模態時間步長為1 s。

2.3 氣象強迫場

海洋與大氣之間存在質量、動量以及熱量的輸送，例如海面風場對海洋的強迫作用。太陽輻射是海洋中能量的主要來源，但由于熱力差異的原因，導致大氣中的動力和熱力物理過程為一高頻的變化過程，變化快，且變化較為劇烈；而海洋中的動力和熱力物理過程為一低頻的物理過程，變化緩慢。模式氣象強迫場包括大氣對海洋強迫的風場、熱通量及短波輻射等。本文設計不同時間頻率氣象強迫場的對比實驗，氣象強迫場采用NCEP多年平均結果（1958-2008），空間分辨率為1.875°×1.875°，時間分辨率分別采用1天4次和1月1次氣象場驅動。

2.4 潮汐驅動

模式東、西、南、北4個邊界均設為開邊界條件。為了模擬海區真實的潮流情況，在開邊界處添加8個主要分潮的驅動場，分別為M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1。其中半日潮有M2，S2，N2，K2（M2＞S2＞N2＞K2）；全日潮有K1，O1，P1，Q1（K1＞O1＞P1＞Q1）。其開邊界的分潮調和常數來源于OSU Tidal Data Inversion（OTIS）提供的TPXO7數據集。TPXO7數據集包含全球范圍10個分潮（M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，Mf，Mm）潮汐和潮流的調和常數，其分辨率為1/4°×1/4°，網格數為1 440×721。

2.5 初始場

本文使用的初始場為ECCO、WOA05和NMDIS合成的溫鹽場，其中將1月份ECCO月平均數據作為背景場，采用三維變分數據同化方法[7-8]，依次將1月份WOA05和NMDIS的月平均數據進行同化。模式初始場的海面高度場采用ECCO數據，模式初始場的流場為靜止狀態，在模式的積分過程中形成與模式溫鹽場相匹配的流場。最終得到模式的初始場。

3 模式驗證

3.1 WOA13數據介紹

本文選取WOA13資料集溫度要素數據對黑潮的模式模擬進行驗證。WOA 13（World Ocean Atlas 2013）是來自NOAA海洋數據中心氣象實驗室的海洋氣候學數據集產品，時間較近，范圍遍及全球，有年平均、季節平均和月平均等不同的數據產品，是多種數據集的整合產品。WOA13數據是多種實際海洋、氣象觀測數據的融合，具有較高的空間分辨率，包含5°，1°，0.25°3種不同分辨率的數據。本文選用1955—2013年季節平均網格溫度數據，分辨率0.25°，分析范圍在116°E～137°E，17°N～41°N之間，水層選取1～57層之間，最深深度接近6 000 m，可以滿足模式驗證的需求。

3.2 模式輸出能量曲線

本文在真實的流場、地形以及氣象強迫場條件下，ROMS模式共運行積分10 a，輸出第10年的數據變量進行分析。模式啟動時間為2000年1月1日0時，模式積分10 a，輸出物理量包括水平流速分量、垂向平均水平流速分量、垂向平均垂向速度分量、溫度、鹽度、密度等變量。為了驗證模式是否達到穩定，繪制模式積分前6年的能量曲線（見圖3）。

圖3 模式輸出能量曲線

通過對模式積分前6年的能量曲線變化規律的分析，證明模式積分至第6年時能量變化已呈現明顯的年周期性變化，說明模式積分6年之后已經趨于穩定，進而說明模式積分第10年的數據是可用的。

3.3 模式對PN斷面溫度剖面結構的模擬

中國近海具有明顯的大洋西邊界流的環流特征，其中黑潮是中國東部海域一支高溫、高鹽的太平洋西邊界暖流，其流速強勁且流向穩定，在我國東海海域黑潮流速為40～80 cm/s，最大流速為180 cm/s。

圖4 PN斷面位置圖[6]

圖4中黑色實線為西北太平洋黑潮流軸的位置，箭頭表示黑潮流動的方向。本文選取位于黑潮中央地段的PN斷面，對模式模擬的垂向結構進行驗證。PN斷面自東海西北角長江口到東南角琉球群島呈西北、東南走向，（具體位置為西起27°30’N，128°15’E，東至30°30’N，124°30’E，與緯線的夾角為37°）。PN斷面橫切東海黑潮主干，垂直與東海黑潮主軸流速的方向。在對東海黑潮的調查研究中，PN斷面是應用最廣泛的一個斷面，也是表征東海黑潮強度以及時空變化的重要標志。

圖5 利用WOA13逐月月平均資料提取的PN斷面溫度剖面

圖5是利用WOA13逐月月平均資料提取的PN斷面溫度剖面。從中可以看出，黑潮主軸上有非常強的暖水，尤其是1月和4月暖水團非常明顯，在兩側的海水有很強的溫度梯度，且4月份其流核結構十分明顯，黑潮主軸的強度較大。7月份，海水表層的溫度都非常高，溫度梯度不是很明顯，10月份，隨著高溫水的南退，黑潮主軸的暖水特征又再次出現。對于PN斷面，深層水的水溫變化不是很大，全年的溫度特征都比較一致。從PN斷面的溫度結構分析中，我們發現冬、春季節PN斷面流核結構最為明顯。

圖6為模式模擬的PN斷面溫度剖面，通過與WOA13資料提取的PN斷面溫度剖面的對比可以發現，模式較好地模擬了PN斷面上黑潮主軸上的暖水核結構，特別是1月和4月PN斷面上暖核結構較為明顯，其中1月份表層水最高溫度可達22℃，4月份表層水最高溫度可達24℃。受太陽輻射的影響，7月PN斷面剖面上表層水最高溫度都高于25℃，中國近海海域處在大片的高溫區，削弱了PN斷面上的流核結構；10月，隨著海表面溫度下降，海表面高溫區減弱，暖水核結構再次出現。模式較好地模擬了PN斷面上黑潮主軸暖水核的結構，且合理地模擬了斷面上溫度結構的季節變化特征。

模式較好地模擬了海表面溫度場的分布以及PN斷面的溫度剖面結構，說明模式對黑潮以及中國近海的溫度結構及環流具有較好的模擬效果。

圖6 模式模擬結果提取的PN斷面溫度剖面

4 不同氣象強迫場條件下模式對中國近海環流的模擬

本文從4月份海表面溫度（SST）要素出發，并與WOA13數據進行對比，對不同氣象強迫場條件下中國近海環流的模擬結果進行分析，并探究模式氣象強迫場對模式結果的影響。

4.1 WOA13數據提取4月份氣候態海表面溫度

圖7給出了利用WOA13數據提取的4月份氣候態海表面溫度場。從圖中可以看出,4月份的氣候態海表面溫度(SST)具有明顯的季節特征；東海外海黑潮主軸上的暖水舌溫度明顯高于鄰近海域；受東亞冬季風的影響，對馬暖流、黃海暖流以及中國沿岸流等中國近岸的環流較為明顯。

圖7 WOA13數據4月份氣候態海表面溫度

4.2 不同氣象強迫場條件下模式對海表面溫度場的模擬

為了說明模式氣象強迫場對模擬結果的影響，本文設計了針對氣象強迫場的對比試驗。對比試驗中模式氣象強迫場的驅動頻率為1次/月，其它設置不變。圖8(a)給出了原始實驗模擬4月份的海表面平均溫度場（氣象強迫場的頻率為4次/d），圖8（b）給出了對比實驗模擬的4月份海表面平均溫度（氣象強迫場的頻率為1次/月）。

從圖8（a）中可以看到，模式較好地模擬了東海外海黑潮主軸上的暖水舌，該暖水舌自臺灣北部向東北方向發展，可以利用黑潮高溫的特點表征其黑潮主軸的路徑。模式較好地模擬了臺灣東北海域和吐噶喇海峽附近發生的黑潮路徑的彎曲，較為細致地模擬了黑潮路徑先向北伸，再折向東的路徑彎曲的特點。同時，模式對臺灣暖流、對馬暖流、黃海暖流以及中國沿岸流等環流都有較好的模擬。從圖8（b）可以看出，對比實驗中，模式對中國近海環流的模式存在臺灣暖流異常偏強而中國沿岸流異常偏弱的現象。在對比試驗中，氣象強迫場的頻率為1次/月，該氣象強迫場無法表征東亞季風對海表面環流的影響，不足以反映大氣對海洋的動力和熱力的作用和影響，造成了中國近海環流的異常。在原始模式中大氣對海洋強迫的風場、熱通量及短波輻射等變量采用NCEP多年平均結果（1958-2008年），空間分辨率為1.875°×1.875°，時間分辨率為4次/d。通過對比分析可知，利用較高的空間和時間分辨率的多年平均氣候態氣象強迫場，可以較好地模擬真實的大氣對海洋的強迫作用，得到較為理想的中國近海數值模擬效果。

圖8 4月份海表面平均溫度場（SST）

5 結論

（1）通過對PN斷面溫度剖面結構季節變化特征的提取分析，說明ROMS模式中國近海的溫度結構及環流具有較好的模擬效果。

（2）在不同時間頻率氣象強迫場條件下，利用ROMS模式對渤海、黃海、東海及鄰近海域海表面溫度場的高分辨率數值模擬效果進行對比分析，說明利用較高時間分辨率的多年平均氣候態氣象強迫場，可以較好地模擬中國近海海域真實的大氣對海洋的強迫作用，得到較為理想的模擬效果。

參考文獻：

[1]蘇紀蘭.中國近海的環流動力機制研究[J].海洋學報(中文版)，2001，04:1-16.

[2]孟慶軍.黃海溫度和環流對不同頻率風場響應的數值模擬研究[D].青島：中國海洋大學,2015.

[3]崔可夫.基于ROMS的渤海灣水動力學模型及其應用[D].天津：天津大學,2014.

[4]綦夢楠.廈門灣及鄰近海域潮汐潮流數值模擬與預報研究[D].青島：中國海洋大學,2014.

[5]邊昌偉.中國近岸泥沙在渤海、黃海和東海的輸運[D].青島：中國海洋大學,2012.

[6]王兆毅，王輝，黑潮對中國近海環流影響的數值模擬研究[D].北京：國家海洋環境預報中心，2012.

[7]Li W,Y Xie,Z J He,et al Application of the multi-grid data assimilation scheme to the China Seas'temperature forecast[J].J Atmos Oceanic Tech,2008，25:2106-2116.

[8]Li W,YXie,SMDeng,et al.Application ofthe multigrid method tothe two-dimensional doppler radar radial velocitydata assimilation [J].J Atmos Oceanic Tech,2010,27(2):319-332.

Analysis on the Effects of the Climatological Forcing Frequency on High Resolution Simulation of ROMS

ZHOU Li-jia1,DANG Zhen-zhong2,DONG Hui-chao3,BAI Dong-yu2,AI Yang4
1.Dalian Naval Academy,Dalian 116018,Liaoning Province,China; 2.Naval Hydrologic Meteorological Center,Beijing 100000,China; 3.No.91910 Troops of the PLA,Dalian 116018,Liaoning Province,China; 4.The 37th Team of the Staff Department of the East China Sea Fleet Hydrologic Meteorological Center,Ningbo 315122,Zhejiang Province,China

Currently,the simulation of the sea currents,tides,temperature and salinity based on ocean data models is an important method for the research of the marine science.The Bohai Sea,Yellow Sea and East China Sea are notable regions of air-sea interaction,where climatological forcing has significant effects on the simulation of those regions.The Regional Ocean Modeling System (Roms),which is used in this paper,is a widely applied ocean model.Numerical simulation is conducted for the coastal waters of China under different conditions of time frequency climatological forcing.Through comparative analysis on different time frequency climatological forcing for Roms,this paper provides the theoretical support for numerical forecasting and simulation of the coastal waters of China.

Bohai Sea;Yellow Sea;East China Sea;ROMS;air-sea interaction

P731

A

1003-2029（2017）02-0083-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.014

2016-11-11

信號稀疏表示的廣義測不準原理研究項目資助（61471412）

周立佳（1962-），男，博士，副教授，主要研究方向為軍事海洋環境作戰應用。E-mail:dangazhong@163.com