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历时二十余年海洋一所自主建立了海洋环流数值模式

时间:2021.07.30 来源:物理海洋室 字号

海洋防灾减灾和生态保护等,都需要精准的海洋环境模拟与预报。对预报而言,海洋数值模式相当于工业的“芯片”,是国家海洋科技实力的综合体现。海洋数值模式的研究水平对于促进海洋经济发展、应对海上突发事件、加强海洋防灾减灾具有十分重要的意义。但半个多世纪以来,海洋数值模式的发展一直由欧美等海洋科技发达国家主导。

模式发展是海洋科学系统工程,包括海洋科学、计算数学、计算机软硬件等的协调与配合。最近,我所自主研发的MASNUM海洋环流数值模式已完成研发并已经应用于海洋科学研究和模拟预测等工作中,这标志着我国在海洋数值模式发展和海洋环境预报方面取得新的突破,对提升我国海洋自主创新科技实力具有重要意义。

MASNUM海洋环流数值模式是在原创海洋动力系统理论框架下发展的自主可控海洋数值模式。在上个世纪末,我所著名物理海洋学家、海洋工程环境专家袁业立院士带领研究组提出海洋动力系统概念,这是一种崭新的物理海洋学研究基础框架,它主要包括具有确定性物理意义的运动类划分和具有数学自洽性意义的运动类分解合成演算,并在此基础上推演出多尺度运动间相互作用的现象认知和动力学解译。基于此,MASNUM研究组不断发展海浪生湍流混合、海浪输运通量剩余量、内潮生湍流混合、考虑层结的海洋内部混合等方案进行海洋模式的优化改进,显著提高了模式对上层海洋混合过程的刻画能力,混合层深度模拟偏差大幅降低。

十多年前,袁业立院士带领我所物理海洋室韩磊和庄展鹏等青年人开始自主研发MASNUM海洋环流模式,2016年研制成功首个版本。该模式采用了两时间层时间交错有限差分格式以及五点空间平滑算法,与传统三时间层蛙跳格式相比,它具有更强的稳定性和更高的计算效率。垂向坐标采用的是σ-Z-σ混合坐标,能够提升模式对海面和海底精细结构的模拟能力,并使斜压梯度力的计算误差这一难题与σ或Z坐标相比降低1-2个量级。

此外,MASNUM海洋环流模式采用了自主发展的适用于海洋模式的不规则类矩形“经度-纬度”空间剖分方法,极大地提高了模式的并行效率;并采用了具有更高准确度的2010年海水热力学方程(TEOS-10)密度计算模块。

2016年之后,自主海洋环流模式不断发展完善,相关成果陆续在国内外重要学术期刊Journal of Geophysical Research: Oceans(https://doi.org/10.1029/2020JC016816)、Science China Earth Sciences(https://doi.org/10.1007/s11430-012-4517-x)、Ocean Dynamics(https://doi.org/10.1007/s10236-019-01338-3、https://doi.org/10.1007/s10236-017-1124-6)、Acta Oceanologica Sinica(https://doi.org/10.1007/s13131-016-0855-4、https://doi.org/10.1007/s13131-014-0553-z)、Journal of Hydrodynamics(https://doi.org/10.1016/S1001-6058(14)60005-6)等发表。

我所三十余年一直坚持不懈发展自主海洋与气候模式。方国洪院士早在上世纪八十年代就发展了自主潮汐潮流模式,九十年代初袁业立院士就与国际同步自主发展了第三代海浪数值模式,2004年我所发展了国际首个海浪-环流耦合数值模式,2013年发展了国际首个包含海浪的地球系统模式,2017年又发展了国际首个包含海浪的台风模式,上述模式均突破了国际模式的重大瓶颈难题。至今,我所已经形成了包含海浪模式、潮汐潮流模式、海洋环流模式、浪-潮-流耦合模式以及地球系统模式的自主海洋模式谱系。

我国在自主海洋与气候模式发展领域做出了不懈的努力,早在1989年中科院大气物理研究所就发展了自主海洋环流模式,并于1991年研制成功海气耦合的气候模式。国内其他单位如中国气象局在自主气候模式研发领域也取得了重要进展。


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