《自然资源部第一海洋研究所自主研制的浪潮流耦合模式在中国气象局转入业务化运行》

  • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者: liguiju
  • 发布时间:2023-03-18
  • 自然资源部第一海洋研究所与中国气象局地球系统数值预报中心联合研制的全球浪潮流耦合海洋气象数值预报子系统于2023年2月21日通过中国气象局预报与网络司组织的专家评审,正式转入业务化运行。

    海洋环境不仅直接关系到减灾防灾和生态保护,而且由于海洋巨大的热容量,海洋控制着气候变化,直接影响台风等极端天气的演化。因此,海洋与大气领域密切的科研合作,不仅能提升对地球系统的科学认知,更重要的是,可以进一步提升海洋和极端天气以及气候的预报预测能力。

    自然资源部第一海洋研究所乔方利研究员带领团队,原创建立了浪致混合理论,并揭示了潮流混合在海洋环流系统中的关键作用,打破了国内外海浪、潮流、环流长期分治的动力学框架,提出了海洋动力系统的思想,建立了国际首个浪潮流耦合数值模式,本质性提升了海洋模式的模拟能力。美国和欧洲等多个海洋模式组均借鉴我所海洋模式发展的经验与做法,其模式能力均得到显著提升。

    海洋模式是地球预报系统的核心分量模式之一,但从海洋模式转化为业务预报系统仍需要大量扎实、细致的工作。在乔方利研究员和沈学顺研究员综合协调下,通过我所与中国气象局地球系统数值预报中心核心研究人员的密切合作,基于我所自主研制的全球浪潮流耦合模式联合研制了全球浪潮流耦合海洋气象数值预报子系统。该系统经过完整的系统测试和试运行,最终通过业务化运行评审。按照中国气象局业务系统的命名规则,该系统正式命名为“CMA-GFS 1/10°全球浪潮流耦合海洋气象数值预报子系统”。

    2018年12月27日,我所与中国气象局数值预报中心在北京联合签署合作协议,正式开启了海洋与大气耦合业务化预报系统的建设工作。2019年双方密切合作完成了浪潮流耦合模式业务监控环境的开发,并开始系统试运行,2019年12月完成检验程序的开发和安装,实现检验程序自动化运行,建立了实时运行的全球海洋准业务化预报系统,并开始为业务预报中心实时提供海洋气象数据预报产品。2020-2021年,重点开展了准业务化预报系统的检验与优化调整。2022年7月完成了系统升级,包括升级同化系统、延长预报时效至10天和完善业务监控脚本等,固化了系统所需的海洋观测数据业务化传输功能。然后经过5个月的各种文档准备,2022年12月30日,中国气象局地球系统数值预报中心科技业务处组织专家对CMA-GFS 1/10°全球浪潮流耦合海洋气象数值预报子系统进行了业务化运行测试,测试结论为“满足业务准入条件”。2023年2月21日,中国气象局预报与网络司组织了以李泽椿院士为组长的专家组,通过了包括全球浪潮流耦合海洋气象数值预报子系统在内的CMA-GFS V4.0全球同化预报系统业务升级评审。

  • 原文来源:https://www.fio.org.cn/news/news-detail-11162.htm
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    • 水平分辨率和物理过程表达的精确性是决定全球海洋模式模拟结果真实性的两个最重要的因素。按照自然资源部第一海洋研究所数值模式“运行一代、研制一代、策划一代”的总体思路,物理海洋室肖斌工程师与团队成员密切协作,突破系列关键技术瓶颈,将自然资源部第一海洋研究所全球高分辨率海洋模式水平分辨率由1/10°提升至1/32°,并实现了全球海浪-潮流-环流耦合。新的模式命名为全球1/32°海浪-潮流-环流耦合海洋模式(FIO-COM32)。这为下一代业务化预报系统建设打下了坚实的基础。论文2023年3月28日发表于国际高端期刊《Geoscientific Model Development》(https://doi.org/10.5194/gmd-16-1755-2023),乔方利研究员为通讯作者。 首先,随着分辨率由1/10°提升至1/32°,模式的计算量和内存开销将分别增加约32倍和10倍,对模式研发与运行提出了巨大的技术挑战。该课题组通过设计四级并行框架,突破了高效并行计算技术瓶颈;通过IO二次剖分和多进程归集,突破了IO技术瓶颈。 模式分辨率的提升对地形岸线的解析、涡旋现象的模拟等都有本质性改进。新的高分辨率模式能够模拟更丰富的海洋涡旋现象,显著改进了模式对涡动能的模拟能力,尤其在黑潮和湾流等西边界强流区域,所模拟的强流路径与形态均有较大提升,涡动能的均方根误差随之大幅降低。 其次,即使分辨率提升至全球1/32°,夏季上层海洋混合不足的问题依然存在,图中显示模式与Argo观测的夏季混合层深度存在显著的偏浅问题,这是国内外海洋环流模式的共性问题。基于本研究组原创的浪致混合理论,将浪致混合方案Bv引入到新模式,显著改进了夏季混合层深度模拟,首次实现了高分辨率海浪-潮流-环流的耦合。 以往国内外超高分辨率海洋模式与卫星观测的海面高度数据对比显示,两者的中尺度波数谱斜率存在明显差异,这是一个困扰了物理海洋学领域多年的科学难题。基于建立的新型模式,该课题组首次在全球尺度科学阐释了该差异是由于海洋环流模式中未引入潮流而引起的。通过引入天体引潮力实现潮流-环流耦合,全球模式中激发的内潮和惯性重力波所致的海面起伏显著改进了模式的中尺度波数谱斜率。在乔方利研究员带领下,经过几十年的不断探索,该研究组打破了国内外海浪、潮流、环流分治的传动动力学框架,在国际上首次提出海浪、潮流、环流等多运动形态耦合建模的学术思想。该论文清晰表明,耦合建模是未来海洋模式发展的正确道路。 在联合国“海洋十年”框架下,乔方利联合欧美等25个国家34家海洋研究机构和3个国际组织,于2022年发起了“海洋与气候无缝预测(OSF)”大科学计划。该论文的发表标志着OSF又迈上了一个新台阶。  
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