数值模式是现代气象海洋预报业务的核心技术支撑，经过数十年的发展，国际国内已形成了较为完善的数值预报模式体系。本文系统梳理了大气海洋领域主流数值模式的技术现状，涵盖全球大气模式、区域大气模式、全球海洋环流模式、美国海军海洋预报系统、区域海洋模式、海浪模式、海气耦合模式，从模式简介、预报要素、预报能力、技术路线等维度进行全面分析，为相关领域的科研与业务应用提供参考。
一、全球大气数值预报模式
1.1 ECMWF IFS（欧洲中期天气预报中心综合预报系统）
ECMWF IFS（Integrated Forecasting System）是由欧洲中期天气预报中心开发和运行的全球大气数值预报系统，被国际气象界公认为当前最先进、最准确的全球数值天气预报模式。该系统自1979年开始业务运行，历经多次重大升级，目前已发展成为集确定性预报、集合预报、再分析于一体的综合预报平台。
预报要素
- • 三维大气场：温度、湿度、风场、位势高度、垂直速度
- • 地面要素：2米温度、10米风、海平面气压、降水、云量
- • 辐射要素：短波辐射、长波辐射
- • 土壤变量：土壤温度、土壤湿度
- • 海洋表面：海表温度、海冰覆盖
预报能力
| 预报类型 | 水平分辨率 | 垂直层数 | 预报时效 | 更新频次 |
|---|---|---|---|---|
| 高分辨率确定性预报 | 9 km (TCo1279) | 137层 | 10天 | 每日2次 |
| 集合预报 | 18 km | 91层 | 15天 | 每日2次 |
| 延伸期预报 | 36 km | 91层 | 46天 | 每周2次 |
| 季节预报 | 36 km | 91层 | 7个月 | 每月1次 |
技术特点
- • 动力框架：采用谱变换方法，使用三次八面体高斯网格（TCo）
- • 垂直坐标：混合σ-p坐标系统
- • 物理过程参数化：包含完整的辐射传输、对流参数化、边界层、云微物理、重力波拖曳等方案
- • 资料同化：采用四维变分同化（4D-Var），同化窗口12小时
- • 耦合系统：与NEMO海洋模式、海冰模式实现耦合
1.2 NCEP GFS（美国全球预报系统）
GFS（Global Forecast System）是美国国家环境预报中心（NCEP）运行的全球数值天气预报系统，是美国国家气象局业务预报的核心工具。GFS的预报数据完全免费公开，被全球气象机构和研究人员广泛使用，是国际上应用最广泛的全球预报数据源之一。
预报要素
- • 大气变量：温度、比湿、风分量、位势高度、垂直速度、臭氧混合比
- • 地面变量：2米温度/湿度、10米风、海平面气压、总降水、积雪
- • 云和辐射：云水/云冰含量、短波/长波辐射通量
- • 土壤变量：多层土壤温度和湿度
预报能力
| 预报类型 | 水平分辨率 | 垂直层数 | 预报时效 | 更新频次 |
|---|---|---|---|---|
| 确定性预报 | 13 km | 127层 | 16天 | 每日4次 |
| 集合预报(GEFS) | 25 km | 64层 | 16天 | 每日4次 |
技术特点
- • 动力框架：有限体积立方球（FV3）动力核心
- • 垂直坐标：混合σ-p坐标
- • 物理过程：采用NOAA环境建模系统（NEMS）物理包
- • 资料同化：混合集合-变分同化系统（Hybrid EnKF-3DVar）
- • 发展方向：正向统一预报系统（UFS）框架过渡
1.3 DWD ICON（德国气象局全球数值预报系统）
ICON（ICOsahedral Nonhydrostatic）是德国气象局（DWD）与马克斯·普朗克气象研究所联合开发的新一代全球数值天气预报和气候模拟系统。ICON采用创新的二十面体三角形网格，可实现从全球到区域的无缝嵌套预报，代表了数值预报模式发展的新方向。
预报要素
- • 三维大气场：温度、风、湿度、云水、云冰、雨水、雪
- • 地面变量：气压、降水、辐射、地表通量
- • 土壤变量：多层土壤温度和水分
- • 特殊要素：雷暴指数、积雪深度、雾
预报能力
| 预报类型 | 水平分辨率 | 垂直层数 | 预报时效 | 覆盖范围 |
|---|---|---|---|---|
| ICON全球 | 13 km | 90层 | 7.5天 | 全球 |
| ICON-EU | 6.5 km | 60层 | 5天 | 欧洲 |
| ICON-D2 | 2.2 km | 65层 | 48小时 | 德国 |
技术特点
- • 网格系统：二十面体三角形网格，支持局部加密
- • 动力框架：非静力平衡方程组，适用于高分辨率模拟
- • 垂直坐标：地形追随高度坐标（SLEVE坐标）
- • 物理过程：全套物理参数化方案，针对不同分辨率可调
- • 并行计算：高效MPI并行化，正在推进GPU加速
1.4 CMA GRAPES（中国气象局全球/区域同化预报系统）
GRAPES（Global/Regional Assimilation and PrEdiction System）是中国气象局自主研发的新一代数值天气预报系统，包括全球模式和区域模式两个版本。GRAPES是中国数值预报业务的核心系统，在台风路径预报、东亚季风区降水预报等方面具有独特优势。
预报要素
- • 基本气象要素：温度、湿度、风、气压、位势高度
- • 降水要素：总降水、对流降水、大尺度降水
- • 云和辐射：云量、云水、辐射通量
- • 地面要素：2米温度/湿度、10米风、地表温度
- • 特色产品：台风路径强度预报、暴雨落区预报
预报能力
| 预报类型 | 水平分辨率 | 垂直层数 | 预报时效 | 更新频次 |
|---|---|---|---|---|
| GRAPES_GFS全球 | 25 km | 60层 | 10天 | 每日2次 |
| GRAPES_MESO区域 | 3 km | 50层 | 84小时 | 每日8次 |
| GRAPES_TYM台风 | 9 km | 45层 | 126小时 | 每日4次 |
技术特点
- • 动力框架：半隐式半拉格朗日差分格式
- • 网格系统：全球采用经纬度网格，区域采用兰伯特投影
- • 物理过程：自主发展的物理参数化方案体系
- • 资料同化：三维变分同化（3D-Var）和四维变分同化（4D-Var）
- • 发展目标：实现公里级全国精细化预报
1.5 其他主要全球大气模式
1.5.1 JMA GSM（日本气象厅全球谱模式）
- • 简介：日本气象厅运行的全球谱模式，在西太平洋台风预报方面具有优势
- • 分辨率：约20 km，100垂直层
- • 预报时效：11天
- • 特点：对东亚地区天气系统有较好的预报能力
1.5.2 UKMO UM（英国气象局统一模式）
- • 简介：英国气象局开发的统一模式系统，可用于天气预报和气候模拟
- • 分辨率：全球约10 km，区域1.5 km
- • 特点：在欧洲和北大西洋地区预报表现优异
1.5.3 ECCC GEM（加拿大环境与气候变化部全球环境多尺度模式）
- • 简介：加拿大气象部门的业务预报模式
- • 分辨率：全球25 km，区域2.5 km
- • 特点：在北美地区，特别是极地天气预报方面有独特优势
1.5.4 Météo-France ARPEGE（法国气象局全球模式）
- • 简介：法国气象局的全球谱模式
- • 特点：采用拉伸网格技术，在欧洲地区分辨率更高
二、区域大气数值预报模式
2.1 WRF（天气研究与预报模式）
WRF（Weather Research and Forecasting Model）是由美国国家大气研究中心（NCAR）、NOAA、美国空军等多家机构联合开发的中尺度数值天气预报系统。WRF是目前国际上应用最广泛的开源区域大气模式，被全球数百家研究机构和业务部门使用。
预报要素
- • 三维大气变量：温度、风、湿度、气压、各类水凝物
- • 地面变量：2米温度/湿度、10米风、降水、辐射
- • 边界层变量：边界层高度、湍流动能
- • 扩展应用：空气质量（WRF-Chem）、水文（WRF-Hydro）、太阳能（WRF-Solar）
预报能力
| 应用尺度 | 典型分辨率 | 预报时效 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| 中尺度 | 10-30 km | 3-5天 | 区域天气预报 |
| 对流尺度 | 1-4 km | 24-72小时 | 强对流天气预报 |
| 精细尺度 | 100-500 m | 12-24小时 | 城市气象、风能评估 |
技术特点
- • 动力框架：完全可压缩非静力方程组
- • 网格系统：Arakawa C网格，支持多重嵌套
- • 垂直坐标：地形追随质量坐标
- • 物理过程：模块化设计，提供多种参数化方案可选
- • 资料同化：配套WRFDA系统，支持3D-Var、4D-Var、混合同化
- • 并行计算：基于MPI的分布式并行
2.2 HRRR（高分辨率快速更新模式）
HRRR（High-Resolution Rapid Refresh）是NOAA运行的美国本土高分辨率业务预报模式，专门针对对流尺度天气现象的短临预报。
预报能力
- • 水平分辨率：3 km
- • 垂直层数：50层
- • 预报时效：18-48小时
- • 更新频次：每小时更新
- • 覆盖范围：美国本土
技术特点
- • 基于WRF-ARW动力核心
- • 采用雷达资料同化技术
- • 专注于对流天气的短临预报
三、全球海洋环流数值模式
3.1 HYCOM（混合坐标海洋模式）
HYCOM（HYbrid Coordinate Ocean Model）是由美国迈阿密大学、海军研究实验室等机构联合开发的全球海洋环流模式。HYCOM的核心创新在于采用混合垂直坐标系统，能够在不同海域自适应选择最优的垂直坐标类型，是美国海军实时海洋预报系统（RTOFS）的核心模式。
预报要素
- • 三维海洋场：温度、盐度、海流（u、v、w分量）
- • 海面要素：海表温度（SST）、海表盐度（SSS）、海面高度（SSH）
- • 混合层变量：混合层深度、混合层温度
- • 中尺度特征：涡旋、锋面、海流边界
预报能力
| 系统名称 | 水平分辨率 | 垂直层数 | 预报时效 | 覆盖范围 |
|---|---|---|---|---|
| GLBv0.08 | 1/12° (~9 km) | 41层 | 7天 | 全球 |
| RTOFS | 1/12° | 41层 | 8天 | 全球 |
| GoM HYCOM | 1/25° (~4 km) | 40层 | 5天 | 墨西哥湾 |
技术特点
- • 垂直坐标：混合坐标系统（Hybrid）
- • 深海：等密度面坐标（有利于保持水团特性）
- • 近岸浅水：z坐标或σ坐标
- • 混合层：固定深度坐标
- • 水平网格：Arakawa C网格
- • 数值方法：有限差分法，二阶精度
- • 资料同化：Navy Coupled Ocean Data Assimilation（NCODA）
- • 耦合能力：可与大气模式（如COAMPS）、海浪模式耦合
3.2 MOM6（模块化海洋模式第6版）
MOM6（Modular Ocean Model version 6）是美国NOAA地球流体动力学实验室（GFDL）开发的新一代模块化海洋环流模式。MOM6已被选定为美国下一代统一预报系统（UFS）的海洋分量模式，代表了海洋数值模式的发展趋势。
3.2.1 预报要素
- • 三维物理场：位温、盐度、三维流速
- • 海面变量：SSH、SST、SSS、海面热通量
- • 混合过程：垂直混合系数、边界层深度
- • 示踪物：支持任意数量的被动示踪物
3.2.2 预报能力
| 应用系统 | 水平分辨率 | 垂直层数 | 预报时效 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| CFSv3（规划） | 1/4° | 75层 | 季节尺度 | 气候预测 |
| 涡旋分辨 | 1/12° | 75层 | 中期 | 中尺度过程研究 |
| 高分辨率 | 1/48° | 75层 | 研究 | 亚中尺度过程 |
技术特点
- • 垂直坐标：任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法
- • 支持z*坐标、等密度面坐标、σ坐标及其混合
- • 可动态调整垂直网格
- • 水平网格：C网格离散
- • 数值方法：有限体积法，保证守恒性
- • 物理过程：完整的混合参数化、涡旋参数化
- • 代码架构：现代化Fortran，高度模块化
3.3 NEMO（欧洲海洋模式）
NEMO（Nucleus for European Modelling of the Ocean）是欧洲多国联合开发的海洋模式框架，由法国国家科研中心（CNRS）牵头。NEMO是ECMWF业务耦合系统和哥白尼海洋服务（CMEMS）的核心海洋模式。
3.3.1 预报要素
- • 海洋物理：温度、盐度、流速、海面高度
- • 海冰变量：海冰浓度、厚度、漂移速度
- • 生物地球化学：营养盐、浮游生物、溶解氧（通过PISCES模块）
- • 波浪相互作用：Stokes漂流、波浪混合
3.3.2 预报能力
| 应用系统 | 分辨率 | 预报时效 | 运行机构 |
|---|---|---|---|
| ECMWF耦合系统 | 1/4° | 季节 | ECMWF |
| CMEMS全球 | 1/12° | 10天 | Mercator Ocean |
| CMEMS区域 | 1/36° | 7天 | 各区域中心 |
技术特点
- • 模块组成：
- • OPA：海洋物理引擎
- • SI³：海冰模块
- • TOP：示踪物和生态模块
- • 网格系统：支持ORCA全球网格、区域网格
- • 资料同化：与NEMOVAR系统集成
- • 并行化：MPI并行，正在推进GPU移植（PSyclone）
3.4 MITgcm（MIT通用环流模式）
MITgcm（MIT General Circulation Model）是由美国麻省理工学院（MIT）开发的通用流体环流数值模式。该模式的独特之处在于采用”流体同构”（fluid isomorphisms）设计理念，使用同一套流体动力学核心既可以模拟大气环流，也可以模拟海洋环流。MITgcm是国际上最早实现非静力海洋模拟的模式之一，其自动生成的伴随模式使其成为海洋资料同化研究的重要工具。模式代码采用Fortran语言编写，完全开源，在GitHub上公开维护。
预报要素
- • 三维物理场：温度、盐度、三维流速（u、v、w）
- • 海面变量：海表高度、海表温度、海表盐度
- • 示踪物：支持任意数量的被动和主动示踪物
- • 海冰变量：海冰浓度、厚度（通过海冰模块）
- • 生物地球化学：通过耦合模块实现营养盐、浮游生物等模拟
预报能力
| 应用类型 | 典型分辨率 | 垂直层数 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| 全球涡旋分辨 | 1/12°-1/48° | 50-90层 | 全球环流、中尺度涡旋 |
| 区域高分辨率 | 1-5 km | 35-100层 | 近岸环流、内波模拟 |
| 非静力模拟 | 10-100 m | 可变 | 对流、混合过程研究 |
| ECCO同化系统 | 1° | 50层 | 全球海洋状态估计 |
技术特点
- • 动力框架：
- • 基于不可压缩Navier-Stokes方程
- • 支持静力和非静力模式切换
- • 通过高度-压力坐标同构，同一核心可用于大气和海洋
- • 数值方法：
- • 有限体积法离散，保证局部和全局守恒
- • Arakawa C网格水平离散
- • z坐标垂直离散（支持部分格子处理地形）
- • 网格系统：
- • 支持球面极坐标网格
- • 支持立方球面网格（cube-sphere grid），避免极点奇异性
- • 支持正交曲线坐标
- • 上边界处理：
- • 刚盖近似
- • 线性自由面
- • 非线性自由面（精确处理）
- • 伴随模式：
- • 通过自动微分技术（TAF/OpenAD）自动生成伴随代码
- • 广泛应用于ECCO（Estimating the Circulation and Climate of the Ocean）项目
- • 并行计算：高效MPI并行化，已在多种超算平台（包括GPU）上运行
主要应用
- • ECCO项目：全球海洋状态估计，提供1992年至今的海洋再分析产品
- • LLC4320模拟：1/48°全球高分辨率模拟，用于亚中尺度过程研究
- • 内波研究：利用非静力能力模拟内孤立波生成和传播
- • 海气相互作用：大气-海洋耦合模拟
3.5 LICOM（中科院大气物理所气候系统海洋环流模式）
LICOM（LASG/IAP Climate system Ocean Model）是中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）自主研发的全球海洋环流模式。自20世纪80年代末开始发展，历经五代更新，目前最新版本为LICOM3.0。LICOM是我国唯一自主发展的全球海洋环流模式，是中国地球系统模式（CAS-ESM）和气候系统模式（CAS-FGOALS）的海洋分量模式，已广泛参与国际耦合模式比较计划（CMIP6）和海洋模式比较计划（OMIP）。
预报要素
- • 三维物理场：位温、盐度、纬向流速、经向流速
- • 海面变量：海表温度、海表盐度、海面高度
- • 混合层变量：混合层深度、混合层热含量
- • 示踪物：支持被动示踪物模拟（如氚、14C等）
- • 中尺度特征：涡旋、西边界流（黑潮、湾流）
预报能力
| 模式版本/配置 | 水平分辨率 | 垂直层数 | 覆盖范围 | 主要用途 |
|---|---|---|---|---|
| LICOM3.0低分辨率 | 1° | 30层 | 全球 | 气候模拟、长期积分 |
| LICOM3.0涡分辨 | 1/10° (~10 km) | 55层 | 准全球 | 中尺度涡旋研究 |
| LICOM3.0超高分辨率 | 3-5 km | 55层 | 全球 | 次中尺度过程研究 |
| LICOM变分辨率 | 0.02°-0.1° | 55层 | 全球（区域加密） | 区域精细化模拟 |
| LFS预报系统 | 1/10° | 55层 | 全球 | 1-15天海洋环境预报 |
技术特点
- • 动力框架：
- • 基于Boussinesq近似的原始方程组
- • 采用二阶精度有限差分格式
- • 半隐式时间积分方案
- • 网格系统：
- • 早期版本采用经纬度网格
- • 最新版本采用三极网格（Tripolar Grid），将北极点一分为二置于北美和欧亚大陆
- • 支持变分辨率网格技术，可实现区域加密
- • 垂直坐标：z坐标，表层5米等间距，向深海逐渐加厚
- • 物理过程参数化：
- • KPP垂直混合方案
- • GM涡旋参数化（低分辨率版本）
- • Redi等密度面扩散
- • 并行计算：
- • 高效MPI并行化
- • 已实现GPU异构计算移植（LICOM3-HIP），在国产超算上运行
- • 2020年获中科院先导杯并行计算大奖赛一等奖
主要应用
- • CMIP6贡献：作为CAS-ESM和CAS-FGOALS的海洋分量参与CMIP6多项试验
- • OMIP比较：整体模拟性能达到国际同等分辨率模式水平
- • LFS预报系统：国内首个自主的全球高分辨海洋环境预报系统，提供1-15天预报
- • 黑潮模拟：高分辨率版本能够重现黑潮大弯曲现象及其年际变化
- • 地球系统数值模拟装置：作为核心海洋模式支撑国家重大科技基础设施
3.6 OFES（地球模拟器海洋模式）
OFES（OGCM for the Earth Simulator）是日本海洋研究开发机构（JAMSTEC）基于美国GFDL开发的MOM3模式，专门针对日本”地球模拟器”超级计算机优化的全球涡旋分辨海洋环流模式。OFES项目自2002年地球模拟器启用后开始运行，是国际上最早开展多年代际涡旋分辨全球海洋模拟的项目之一。目前已发展到OFES2版本，模拟数据免费向全球科研人员开放。
3.6.1 预报要素
- • 三维物理场：温度、盐度、流速（u、v、w分量）
- • 海面变量：海表温度（SST）、海表盐度（SSS）、海面高度（SSH）
- • 海冰变量：海冰浓度、厚度（OFES2新增）
- • 混合过程：垂直扩散系数、潮汐混合（OFES2新增）
3.6.2 预报能力
| 模式版本 | 水平分辨率 | 垂直层数 | 模拟时段 | 主要改进 |
|---|---|---|---|---|
| OFES ver.1 | 1/10° (~10 km) | 54层 | 1950-至今 | 首个长期涡旋分辨模拟 |
| OFES2 | 1/10° (~10 km) | 105层 | 1958-至今 | 海冰模式、潮汐混合 |
| OFES2 Ensemble | 1/10° | 105层 | 1965-至今 | 10成员集合模拟 |
技术特点
- • 动力框架：
- • 基于MOM3，针对大规模并行计算优化
- • Boussinesq近似、静力平衡假设
- • 网格系统：
- • 准全球经纬度网格（不含极地海冰覆盖区）
- • 水平分辨率均匀1/10°
- • 垂直坐标：
- • z坐标
- • OFES2共105层，上层100米内每层5米厚度
- • 采用部分底格子（partial bottom cells）处理地形
- • 物理过程改进（OFES2）：
- • 新增海冰模式，改善鄂霍次克海等高纬海域模拟
- • 引入潮汐混合参数化方案
- • 采用JRA55-do大气强迫数据集
- • 并行计算：针对地球模拟器向量并行架构深度优化
- • 数据服务：通过GrADS Data Server提供在线数据访问
3.6.3 主要应用
- • 长期后报模拟：提供1950/1958年至今的涡旋分辨海洋后报数据
- • ENSO与IOD研究：OFES2对厄尔尼诺和印度洋偶极子事件的模拟显著改善
- • 黑潮变异：广泛用于黑潮及其延伸体的中尺度变异研究
- • 集合模拟：OFES2 Ensemble提供10成员集合，用于研究海洋内部变率
- • 国际合作：数据被全球数百个研究团队使用，相关论文超过500篇
- • 研讨会平台：自2006年起定期举办OFES Workshop（现更名为”海洋与大气模拟研讨会”）
3.6.4 模式局限性
- • 黑潮和湾流路径模拟仍存在偏差
- • 地中海溢流水盐度扩散不够真实
- • 极地海域模拟能力有限（不含完整北极）
四、美国海军海洋预报系统
4.1 系统概述
美国海军建立了全球最完善的军事海洋预报体系，由以下核心机构组成：
- • NAVOCEANO（Naval Oceanographic Office，海军海洋局）：位于密西西比州斯坦尼斯航天中心，负责海洋产品生产与业务预报
- • FNMOC（Fleet Numerical Meteorology and Oceanography Center，舰队数值气象海洋学中心）：位于加州蒙特雷，负责气象海洋数值模式运行
- • NRL（Naval Research Laboratory，海军研究实验室）：负责海洋模式研发与技术转化
- • OAML（Oceanographic and Atmospheric Master Library，海洋大气主库）：负责维护和分发标准化的环境数据库与模式
该系统提供每日全球、区域和近岸海洋预报，支持美国海军及国防部各军种的作战需求。
4.2 OAML（海洋大气主数据库）
4.2.1 系统简介
OAML（Oceanographic and Atmospheric Master Library）是美国海军维护的权威性海洋大气环境数据库体系，由海军海洋局（NAVOCEANO）负责管理和更新。OAML为美国海军所有海洋预报系统、声学模型、作战规划系统提供标准化的环境背景数据，是美国海军海洋环境保障能力的基础数据支撑。
4.2.2 核心数据库组成
4.2.2.1 DBDB（数字水深数据库）
DBDB（Digital Bathymetric Data Base）是OAML体系中的水深地形数据库系列：
| 数据库版本 | 分辨率 | 覆盖范围 | 主要用途 |
|---|---|---|---|
| DBDB-V | 5弧分（~9 km） | 全球 | 大尺度海洋模式边界 |
| DBDB2 | 2弧分（~3.7 km） | 全球 | 区域海洋模式 |
| DBDB1 | 1弧分（~1.8 km） | 全球 | 高分辨率模拟 |
| DBDB-HRH | 30弧秒-3弧秒 | 重点海域 | 近岸声学、潮汐模拟 |
技术特点：
- • 融合多源测深数据（多波束、单波束、卫星测高反演）
- • 提供水深不确定性估计
- • 支持多种网格格式输出
- • 与SRTM30+、GEBCO等国际数据集兼容
4.2.2.2 GDEM（通用数字环境模式）
GDEM（Generalized Digital Environmental Model）是OAML的海洋气候态数据库，提供温度、盐度的月平均三维分布：
| 版本 | 分辨率 | 深度范围 | 数据基础 |
|---|---|---|---|
| GDEM-V 3.0 | 1/4° | 0-6600 m | WOD数据 |
| GDEM-V 4.0 | 1/8° | 0-6600 m | WOD+Argo |
| GDEM-V 4.1 | 1/8° | 0-6600 m | 更新至2020年 |
主要应用：
- • 海洋模式初始场和边界条件
- • 声速剖面气候态计算
- • 海洋环境异常检测的参考基准
- • 缺测区域环境场插补
4.2.2.3 MODAS（模块化海洋资料同化系统）
MODAS（Modular Ocean Data Assimilation System）是基于统计方法的海洋环境分析系统：
核心功能：
- • 合成剖面生成：利用卫星SSH和SST数据，结合历史EOF模态，估算三维温盐结构
- • 实时场分析：融合Argo、XBT、漂流浮标等现场观测
- • 气候态异常计算：相对于GDEM的温盐异常诊断
- • 声速剖面诊断：基于温盐场实时计算声速剖面
技术特点：
- • 采用经验正交函数（EOF）展开
- • 区域分块处理，适应不同海域特征
- • 与NCODA形成互补（MODAS侧重统计方法，NCODA侧重动力同化）
4.2.2.4 NAVO海岸线数据库（NDB）
NDB（NAVO Digital Bathymetric/coastline database）提供多分辨率全球海岸线：
| 分辨率等级 | 精度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 全分辨率 | ~200 m | 近岸高精度模拟 |
| 高分辨率 | ~1 km | 区域模式 |
| 中分辨率 | ~5 km | 全球模式 |
| 低分辨率 | ~25 km | 气候模式 |
4.2.2.5 底质数据库（HFEVA/BST）
HFEVA（High Frequency Environmental Acoustics）和BST（Bottom Sediment Type）数据库提供海底沉积物特性：
主要参数：
- • 沉积物类型（砂、泥、砾石等）
- • 声学阻抗
- • 反射损失
- • 散射强度
- • 地声学参数（密度、声速、衰减）
覆盖范围：全球大陆架及重点海域
4.2.2.6 海洋光学数据库
提供海水光学特性参数：
- • Jerlov水体类型分布
- • 衰减系数
- • 透明度/能见度
- • 叶绿素浓度气候态
4.2.3 数据更新与分发机制
- • 更新周期：
- • 气候态数据库（GDEM）：每2-3年更新
- • 水深数据库（DBDB）：持续滚动更新
- • 实时分析（MODAS）：每日更新
- • 分发渠道：
- • 军事用户：通过NIPRNet/SIPRNet分发
- • 民用合作：部分产品通过NOAA/NCEI共享
- • 国际伙伴：通过双边协议提供
- • 数据格式：NetCDF、HDF5、二进制格式，支持GrADS、MATLAB等工具
4.2.4 OAML在海军系统中的作用
OAML数据库体系 ├── GOFS/HYCOM → 初始场、气候态边界 ├── NCOM → 区域模式边界、水深 ├── NCODA → 背景场、第一猜测场 ├── 声学模型 → 声速剖面、底质参数 ├── 战术决策辅助系统 → 环境背景信息 └── 搜救/反潜规划 → 漂流预测、声传播4.3 GOFS（全球海洋预报系统）
GOFS（Global Ocean Forecast System）是美国海军的全球业务海洋预报系统，基于HYCOM模式运行。
4.3.1 预报要素
- • 三维物理场：温度、盐度、流速（u、v、w分量）
- • 海面变量：海表温度、海表盐度、海面高度
- • 海冰变量：海冰浓度、厚度、漂移速度
- • 声学相关：声速剖面、声道深度、声学陷波
4.3.2 预报能力
| 系统版本 | 水平分辨率 | 垂直层数 | 预报时效 | 主要特点 |
|---|---|---|---|---|
| GOFS 3.0 | 1/12° (~9 km) | 32层 | 5天 | 早期业务版本 |
| GOFS 3.1 | 1/12° (~9 km) | 41层 | 7天 | 增加表层垂直分辨率、CICE海冰耦合 |
| GOFS 3.5（规划） | 1/25° (~4 km) | 41层 | 7天 | 潮汐强迫、更高分辨率 |
4.3.3 技术路线
- • 核心模式：HYCOM（HYbrid Coordinate Ocean Model，混合坐标海洋模式）
- • 垂直坐标：混合等密度-σ-z坐标，根据水深和层化自适应选择最优坐标
- • 资料同化：NCODA三维变分同化（3DVAR），同化卫星高度计、SST、Argo剖面等
- • 海冰耦合：与CICE海冰模式双向耦合
- • 大气强迫：NAVGEM（Navy Global Environmental Model）提供
- • 计算平台：运行于美国国防部高性能计算中心
4.3.4 数据应用
- • NOAA RTOFS：NOAA基于相同HYCOM配置运行全球实时海洋预报系统（Global RTOFS）
- • 公开数据：通过HYCOM Consortium网站向公众提供预报和再分析数据
4.4 NCOM（海军海岸海洋模式）
NCOM（Navy Coastal Ocean Model）由海军研究实验室开发，是美国海军区域和近岸海洋预报的核心工具。
4.4.1 预报要素
- • 三维物理场：温度、盐度、流速、海面高度
- • 近岸特征：潮汐、风暴潮、近岸环流
- • 垂直剖面：温跃层深度、混合层深度
4.4.2 预报能力
| 应用区域 | 水平分辨率 | 垂直层数 | 预报时效 | 覆盖范围 |
|---|---|---|---|---|
| 全球NCOM（历史） | 1/8° (~14 km) | 40层 | 3-5天 | 全球（已被HYCOM替代） |
| 区域NCOM | 1/36° (~3 km) | 40层 | 4天 | 美国东海岸、墨西哥湾等 |
| 高分辨率嵌套 | 1-2 km | 40层 | 2-3天 | 重点近岸区域 |
4.4.3 技术路线
- • 动力框架：
- • 基于普林斯顿海洋模式（POM）发展
- • 斜压、静力、Boussinesq近似、自由表面
- • 垂直坐标：混合σ-z坐标
- • 上层采用地形追随σ坐标，提高陆架区分辨率
- • 深层采用z坐标，保持开阔大洋高分辨率
- • 网格系统：Arakawa C网格
- • 资料同化：NCODA系统
- • 边界条件：由全球HYCOM提供
- • 大气强迫：COAMPS或NAVGEM
4.4.4 主要业务配置
- • AMSEAS：美洲海域（墨西哥湾、加勒比海）
- • USEAST：美国东海岸
- • SOCAL：南加州沿海
- • Hawaii：夏威夷海域
4.5 NCODA（海军耦合海洋资料同化系统）
NCODA（Navy Coupled Ocean Data Assimilation）是美国海军业务海洋预报系统的核心资料同化工具。
4.5.1 同化能力
| 同化方法 | 分析变量 | 观测资料类型 |
|---|---|---|
| 3DVAR | 温度、盐度、流速、海面高度 | 卫星高度计SSH、卫星SST、Argo剖面、XBT、漂流浮标、锚系浮标 |
| 4DVAR（发展中） | 同上 | 同上，增加时间维度约束 |
4.5.2 技术特点
- • 多变量分析：温度、盐度、地转位势、流速分量、海冰浓度的联合分析
- • ISOP技术：改进的合成海洋剖面（Improved Synthetic Ocean Profiles），将卫星观测的表面信息向深层投影
- • 质量控制：实时观测数据质控，包括仪器误差和代表性误差评估
- • 背景场：使用24小时模式预报作为第一猜测场
- • 分析循环：每日循环更新，为HYCOM、NCOM等模式提供初始场
4.6 COAMPS（耦合海洋大气中尺度预报系统）
COAMPS（Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System）是海军研究实验室开发的区域耦合预报系统。
4.6.1 系统组成
- • 大气分量：非静力中尺度大气模式
- • 海洋分量：NCOM海洋模式
- • 海浪分量：SWAN或WaveWatch III
- • 耦合框架：ESMF（Earth System Modeling Framework）
4.6.2 预报能力
| 分量 | 水平分辨率 | 垂直配置 | 预报时效 |
|---|---|---|---|
| 大气 | 3-15 km | σ-z坐标，60层 | 3-5天 |
| 海洋 | 1-5 km | σ-z混合，40层 | 3-5天 |
| 海浪 | 1-5 km | 频率-方向谱 | 3-5天 |
4.6.3 技术特点
- • 双向耦合：大气-海洋-海浪三者之间实时交换通量
- • 移动嵌套：支持台风等移动系统的跟踪预报（COAMPS-TC）
- • 资料同化：大气采用NAVDAS-AR，海洋采用NCODA
- • 应用领域：热带气旋预报、近岸环流、海气相互作用研究
4.7 Navy-ESPC（海军地球系统预测能力）
Navy-ESPC（Navy Earth System Prediction Capability）是美国海军最新发展的全球耦合预报系统，面向次季节到季节尺度预报。
4.7.1 系统组成
- • 大气：NAVGEM（Navy Global Environmental Model）
- • 海洋：HYCOM
- • 海冰：CICE
- • 耦合器：ESMF/NUOPC
4.7.2 预报能力
- • 预报时效：60天
- • 集合规模：20成员
- • 分辨率：大气T359（~50 km），海洋1/12°
- • 更新频次：每周
4.7.3 技术创新
- • 弱耦合同化：大气（NAVDAS-AR）和海洋（NCODA）分别同化，通过耦合模式预报提供背景场
- • 双循环设计：大气6小时循环，海洋24小时循环
- • 次季节预报：MJO、NAO、AO等气候模态预报技能显著
4.8 系统集成与数据服务
美国海军海洋预报系统采用层级嵌套架构：
GOFS（全球1/12°） ├── 区域NCOM（1/36°，美国沿海） │ └── 高分辨率嵌套（1-2 km，港口、海峡） └── COAMPS区域耦合（灵活配置）五、区域海洋数值模式
5.1 ROMS（区域海洋模式系统）
ROMS（Regional Ocean Modeling System）是由美国罗格斯大学、加州大学洛杉矶分校等机构联合开发的区域海洋数值模式。ROMS以其高效易用的特点，成为全球应用最广泛的区域海洋模式之一。
5.1.1 预报要素
- • 物理场：温度、盐度、流速、海面高度
- • 混合层：混合层深度、湍流混合系数
- • 沉积物：悬浮泥沙浓度、底床演变
- • 生态：通过耦合NPZD等模块实现生态模拟
5.1.2 技术路线
- • 垂直坐标：地形追随s坐标
- • 水平网格：曲线正交网格
- • 数值方法：有限差分，三阶上风迎风格式
- • 边界条件：支持多种开边界条件设置
- • 耦合能力：可与WRF（大气）、SWAN（海浪）组成COAWST耦合系统
5.2 FVCOM（有限体积近岸海洋模式）
FVCOM（Finite-Volume Coastal Ocean Model）是由美籍华人陈长胜教授领导开发的非结构网格海洋模式。FVCOM在近岸、河口、港湾等具有复杂岸线和地形的海域模拟中具有显著优势。
5.2.1 预报要素
- • 物理场：水位、流速、温度、盐度
- • 示踪物：被动示踪物、拉格朗日粒子追踪
- • 生态：通过FABM框架耦合多种生态模型
- • 沉积物：悬浮物浓度、底床变化
5.2.1 技术路线
- • 网格类型：非结构三角形网格
- • 数值方法：有限体积法，保证局部和全局守恒
- • 垂直坐标：广义地形追随σ坐标
- • 湍流闭合：集成GOTM通用海洋湍流模块
- • 优势应用：近岸高分辨率模拟、潮汐模拟、风暴潮预报
5.3 其他区域海洋模式
5.3.1 POM（普林斯顿海洋模式）
- • 简介：普林斯顿大学开发的σ坐标海洋模式
- • 特点：结构简单，计算效率高
- • 应用：近岸环流、潮汐、河口动力学
5.3.2 SCHISM（半隐式交叉尺度水动力模式）
- • 简介：基于SELFE发展的非结构网格模式
- • 特点：高效的半隐式时间积分，支持大时间步长
- • 应用：河口海岸、风暴潮、海啸模拟
5.3.3 ADCIRC（高级环流模式）
- • 简介：专门针对风暴潮和潮汐的有限元模式
- • 特点：非结构网格，高精度潮汐模拟
- • 应用：风暴潮预报、海岸洪水模拟
六、海浪数值预报模式
6.1 第三代海浪模式概述
第三代海浪模式的核心特征是直接计算波谱演变，不预设波谱形状，完整考虑风输入、白浪耗散和非线性波-波相互作用三个源函数项。目前国际主流的第三代海浪模式包括WAM、WAVEWATCH III和SWAN。
6.2 WAM（海浪模式）
WAM（WAve Model）是由WAMDI研究组联合开发的第一个第三代海浪模式，建立了海浪谱预报的理论和技术框架。WAM是ECMWF业务海浪预报系统的核心。
6.2.1 预报要素
- • 波谱信息：二维方向频率谱
- • 积分参数：有效波高、平均周期、平均波向
- • 分量波：风浪、涌浪分离
- • 极值统计：最大波高、波陡
6.2.2 技术路线
- • 控制方程：波作用量平衡方程
- • 源函数：
- • Sin：基于Miles不稳定机制的风输入
- • Sds：基于白浪覆盖率的耗散
- • Snl：离散相互作用近似（DIA）
- • 数值方法：一阶迎风格式
- • 应用范围：主要用于深水大尺度海浪预报
6.3 WAVEWATCH III（第三代海浪模式）
WAVEWATCH III（WW3）是美国NOAA/NCEP开发的第三代海浪数值模式，在WAM基础上进行了大量改进和扩展。WW3是当前国际上技术最成熟、应用最广泛的海浪模式之一。
6.3.1 预报要素
- • 波谱信息：完整的二维方向谱
- • 有效波高：总波高、风浪波高、涌浪波高
- • 周期参数：平均周期、峰值周期、零跨周期
- • 方向参数：平均波向、峰值方向、方向分布宽度
- • 波流相互作用：考虑海流对波浪的影响
6.3.2 预报能力
| 应用系统 | 分辨率 | 预报时效 | 覆盖范围 |
|---|---|---|---|
| NOAA全球 | 0.5° | 7天 | 全球 |
| NOAA区域 | 0.25° | 7天 | 美国沿海 |
| 中国海域 | 1/12° | 5天 | 西北太平洋 |
6.3.3 核心技术
- • 控制方程：波作用量守恒方程
- • 源函数方案：提供ST2、ST3、ST4、ST6等多种方案可选
- • ST4：ECMWF发展的物理方案
- • ST6：最新的源函数参数化
- • 数值方法：支持规则网格和非结构网格
- • 特色功能：
- • 波流相互作用
- • 海冰对波浪的衰减
- • 浅水过程（折射、浅水变形、底摩擦）
- • 并行计算：高效MPI并行化
6.4 SWAN（近岸波浪模拟模式）
SWAN（Simulating WAves Nearshore）是荷兰代尔夫特理工大学开发的第三代近岸海浪模式。与WAM和WW3不同，SWAN专门针对近岸浅水环境设计，能够处理波浪在近岸传播过程中的复杂物理过程。
6.4.1 预报要素
- • 波谱参数：有效波高、周期、波向
- • 浅水效应：波浪浅化、折射、绕射
- • 破碎信息：破碎波高、破碎位置
- • 近岸过程：波浪爬升、越浪量
6.4.2 核心技术
- • 数值格式：隐式格式，数值稳定性好
- • 网格系统：支持规则网格和非结构网格
- • 浅水物理：
- • 深度诱导折射
- • 深度诱导破碎
- • 底摩擦
- • 三波相互作用
- • 嵌套能力：可方便地嵌套在WAM或WW3中
6.5 中国”妈祖”海浪模式
“妈祖”海浪模式是中国国家海洋环境预报中心自主研发的海浪数值预报模式，2024年已向国内外开源。
6.5.1 技术特点
- • 自主知识产权的源函数参数化
- • 针对中国海域特点进行优化
- • 支持台风浪高精度预报
七、海气耦合数值模式
7.1 耦合模式概述
海气耦合模式将大气和海洋作为一个整体系统进行模拟，能够更好地反映大气和海洋之间的相互作用，对于延伸期预报、季节预测和气候模拟至关重要。
7.2 主要耦合系统
7.2.1 UFS（美国统一预报系统）
- • 简介：美国正在建设的新一代统一预报系统
- • 组成：FV3大气 + MOM6海洋 + CICE6海冰 + WW3海浪
- • 目标：实现从天气到季节的无缝预报
7.2.2 CESM（地球系统模式）
- • 简介：美国国家大气研究中心的地球系统模式
- • 组成：CAM大气 + POP/MOM海洋 + CICE海冰 + CLM陆面
- • 应用：气候模拟、气候变化预估
7.2.3 COAWST（耦合海洋-大气-波浪-沉积物系统）
- • 简介：美国地质调查局开发的区域耦合系统
- • 组成：WRF大气 + ROMS海洋 + SWAN海浪
- • 应用：近岸海气相互作用、风暴潮模拟
7.2.4 中国”两洋一海”区域耦合系统
- • 简介：中国海洋大学开发的区域耦合预测系统
- • 组成：WRF大气 + ROMS海洋
- • 分辨率：大气3-9 km，海洋3 km
- • 预报时效：延伸期（10-30天）
八、发展趋势与展望
技术发展趋势
- 1. 分辨率持续提高：全球模式向公里级发展，区域模式向百米级推进
- 2. 地球系统耦合：大气-海洋-陆面-海冰-化学-生态的全耦合
- 3. AI与物理融合：AI技术与数值模式的深度融合
- 4. 计算架构革新：GPU加速、异构计算的广泛应用
- 5. 同化技术进步：向耦合资料同化和集合-变分混合同化发展
附 录
附录A：主要数值模式信息汇总表
| 类别 | 模式名称 | 开发机构 | 主要应用 |
|---|---|---|---|
| 全球大气 | ECMWF IFS | ECMWF | 全球中期预报 |
| 全球大气 | GFS | NOAA/NCEP | 全球预报 |
| 全球大气 | ICON | DWD | 全球-区域预报 |
| 全球大气 | GRAPES | CMA | 中国业务预报 |
| 区域大气 | WRF | NCAR等 | 区域天气研究与预报 |
| 全球海洋 | HYCOM | USN/Miami | 全球海洋预报 |
| 全球海洋 | MOM6 | NOAA/GFDL | 气候模拟/预报 |
| 全球海洋 | NEMO | CNRS等 | 欧洲业务预报 |
| 美国海军 | GOFS | NAVOCEANO | 全球海洋预报 |
| 美国海军 | NCOM | NRL | 区域海洋预报 |
| 美国海军 | OAML | NAVOCEANO | 环境数据库 |
| 区域海洋 | ROMS | Rutgers等 | 区域海洋模拟 |
| 区域海洋 | FVCOM | UMass等 | 近岸海洋模拟 |
| 海浪 | WAM | WAMDI | 全球海浪预报 |
| 海浪 | WW3 | NOAA/NCEP | 全球/区域海浪预报 |
| 海浪 | SWAN | TU Delft | 近岸海浪模拟 |
附录B：主要术语缩略语
| 缩略语 | 英文全称 | 中文含义 |
|---|---|---|
| NWP | Numerical Weather Prediction | 数值天气预报 |
| GCM | General Circulation Model | 大气环流模式 |
| SST | Sea Surface Temperature | 海表温度 |
| SSH | Sea Surface Height | 海面高度 |
| 4D-Var | Four-Dimensional Variational | 四维变分同化 |
| EnKF | Ensemble Kalman Filter | 集合卡尔曼滤波 |
| ALE | Arbitrary Lagrangian-Eulerian | 任意拉格朗日-欧拉 |
| OAML | Oceanographic and Atmospheric Master Library | 海洋大气主数据库 |
| GDEM | Generalized Digital Environmental Model | 通用数字环境模式 |
| DBDB | Digital Bathymetric Data Base | 数字水深数据库 |
| MODAS | Modular Ocean Data Assimilation System | 模块化海洋资料同化系统 |
| NCODA | Navy Coupled Ocean Data Assimilation | 海军耦合海洋资料同化 |