我國海洋氣象數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)發(fā)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(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)發(fā)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(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)有了一定的進展，國家級和沿海省臺建立了海霧、海浪、風(fēng)暴潮等一些海洋氣象數(shù)值預(yù)報模式。通過對我國沿海省臺業(yè)務(wù)應(yīng)用中的海洋氣象數(shù)值預(yù)報模式的調(diào)查，概述了我國現(xiàn)行海洋氣象數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)模式的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了海洋氣象數(shù)值預(yù)報目前存在的問題和面臨的挑戰(zhàn)，并探討了未來的發(fā)展方向。

海洋氣象，數(shù)值預(yù)報，業(yè)務(wù)發(fā)展

1 引言

我國海洋氣象預(yù)報業(yè)務(wù)經(jīng)過近幾年的發(fā)展,取得了長足進步,已經(jīng)初步建立了國家級、海洋區(qū)域中心級、省級共3級的海洋氣象預(yù)報預(yù)警服務(wù)業(yè)務(wù)體系[1-4]。海洋氣象的技術(shù)支撐體系——海洋氣象數(shù)值預(yù)報模式也得到發(fā)展和應(yīng)用[5]。除大氣數(shù)值預(yù)報模式外,還有海霧、海浪、風(fēng)暴潮、海洋污染物擴散等海洋氣象數(shù)值模式應(yīng)用于國家氣象中心和沿海各省級海洋氣象預(yù)報服務(wù)業(yè)務(wù)中,為海洋服務(wù)提供技術(shù)支持和客觀產(chǎn)品。本文旨在分析目前我國的海洋氣象數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)產(chǎn)品研發(fā)和使用現(xiàn)狀,為我國海洋氣象數(shù)值模式高效、集約發(fā)展和未來長遠規(guī)劃提供思路。

2 海洋氣象數(shù)值預(yù)報的業(yè)務(wù)進展

2.1 國外海洋氣象數(shù)值預(yù)報發(fā)展

從20世紀70年代開始,美國有專職的研究機構(gòu)Marine Modeling and Analysis Branch(MMAB)和Meteorological Development Laboratory(MDL)發(fā)展專業(yè)化的海洋氣象數(shù)值預(yù)報,并負責(zé)把模式產(chǎn)品轉(zhuǎn)化應(yīng)用到業(yè)務(wù)中,業(yè)務(wù)單位負責(zé)評估和檢驗并反饋給研究機構(gòu)改進模式,形成研發(fā)→業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用→評估→再研發(fā)的循環(huán)機制。

2.1.1 海霧數(shù)值預(yù)報模式

美國于1989年初步建立了能見度數(shù)值預(yù)報系統(tǒng),為預(yù)報員提供客觀指導(dǎo)產(chǎn)品。系統(tǒng)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(yù)報,當(dāng)時的預(yù)報產(chǎn)品還不適用于沿岸地區(qū)。1998年,新的預(yù)報系統(tǒng)在全球預(yù)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(yù)報系統(tǒng)(NCEP MMAB Global Visibility System,2006年)是建立在GFS模式基礎(chǔ)上的,輸出結(jié)果為能見度,范圍為0～20000m,預(yù)報時效為168h,預(yù)報間隔3h,每天起報4次。

2.1.2 海浪數(shù)值預(yù)報模式

海浪的預(yù)報方法分為人工預(yù)報方法和數(shù)值預(yù)報方法。人工預(yù)報方法包含由風(fēng)資料計算海浪要素的預(yù)

報方法、海浪經(jīng)驗統(tǒng)計預(yù)報方法和半經(jīng)驗半理論預(yù)報方法。20世紀50年代至今,海浪數(shù)值預(yù)報模式得到了迅速發(fā)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(zhì)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(yōu)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(fā)展了適用于全球深水和淺水的海浪數(shù)值計算模式。它采用當(dāng)今各種海浪理論研究和海浪觀測新成果,應(yīng)用了物理上較合理、計算上較精確的源函數(shù),在計算時對算法進行優(yōu)化,使它成為代表當(dāng)今海浪預(yù)報技術(shù)世界水平的海浪數(shù)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(jié)為各源函數(shù)的計算。目前應(yīng)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(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報模式

風(fēng)暴潮的預(yù)報方法很多,總體分為兩大類：經(jīng)驗統(tǒng)計預(yù)報方法和數(shù)值預(yù)報方法。

經(jīng)驗統(tǒng)計預(yù)報方法主要是基于長期的歷史資料,用數(shù)理統(tǒng)計的方法建立氣象要素與特定地點的風(fēng)暴潮之間的經(jīng)驗函數(shù)關(guān)系。該方法主要包含相似型預(yù)報法和單站經(jīng)驗統(tǒng)計方法。隨著計算機技術(shù)的不斷進步,數(shù)值預(yù)報方法已經(jīng)成為世界各國進行風(fēng)暴潮預(yù)報采用的主要方法,風(fēng)暴潮的數(shù)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(fēng)暴潮模式的研究主要集中于近岸浪—風(fēng)暴潮—潮汐和洪水的多向耦合數(shù)值預(yù)報研究、風(fēng)暴潮漫堤漫灘風(fēng)險預(yù)報研究,以及應(yīng)用這些模式進行沿海重要區(qū)域和城市的風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險評估和區(qū)劃工作。在美國,Jelesnianski[7]進行了不考慮和考慮底摩擦的風(fēng)暴潮數(shù)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(chǔ)上又進行了SLOSH模式的研究,這個模式能預(yù)報海上、陸地以及大湖區(qū)的臺風(fēng)風(fēng)暴潮,在風(fēng)暴潮防災(zāi)減災(zāi)中發(fā)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(huán)境預(yù)報中心引入中國。英國的自動化溫帶風(fēng)暴潮預(yù)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(chǔ)上發(fā)展起來的。日本氣象廳于1998年開始業(yè)務(wù)化運行臺風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報,并在風(fēng)暴增水中耦合了天文潮預(yù)報。近幾年,日本氣象廳發(fā)展了基于多臺風(fēng)路徑的風(fēng)暴潮集合預(yù)報系統(tǒng)并投入業(yè)務(wù)化運行。

2.2 國內(nèi)海洋氣象數(shù)值預(yù)報發(fā)展

國家氣象中心、海洋區(qū)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(qū)域大氣模式的海洋數(shù)值預(yù)報系統(tǒng),開發(fā)的海洋氣象數(shù)值模式主要有海霧、海浪、風(fēng)暴潮。

海洋氣象數(shù)值模式在海洋氣象服務(wù)方面發(fā)揮了顯著效益。海洋氣象數(shù)值預(yù)報不僅為精細化的海洋保障服務(wù)提供了技術(shù)支持,如2008年奧運青島奧帆賽氣象保障服務(wù)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(chǎn)品；而且,海洋氣象數(shù)值預(yù)報為海洋災(zāi)害(海上大風(fēng)、海霧、風(fēng)暴潮)的預(yù)警提供技術(shù)支撐,模式可以提前對海洋災(zāi)害天氣的發(fā)生給予警示作用；同時,模式為滿足快速增長的專業(yè)化服務(wù)需要提供客觀產(chǎn)品,海洋專業(yè)化服務(wù)需求中長期預(yù)報時效產(chǎn)品,目前海洋氣象對外發(fā)布72h時效主觀預(yù)報產(chǎn)品,海洋氣象數(shù)值預(yù)報彌補了主觀預(yù)報的不足,如海上大風(fēng)、海浪模式可以提供240h長時效的全球客觀數(shù)值預(yù)報產(chǎn)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(yù)報服務(wù)產(chǎn)品提供了客觀技術(shù)保障。

盡管國家級、海洋區(qū)域中心、沿海省臺開發(fā)了海洋氣象數(shù)值預(yù)報模式,但是海洋氣象數(shù)值預(yù)報模式的種類和數(shù)量不等,且采用的基礎(chǔ)模式的版本各家不一,模式的預(yù)報區(qū)域重疊,模式產(chǎn)品互相不共享,沒有形成高效節(jié)約的海洋氣象模式發(fā)展框架結(jié)構(gòu)體系。下面具體闡述每類海洋氣象模式的開發(fā)狀況。

2.2.1 海霧數(shù)值模式

海霧模式(表1)基本是對WRF模式加以優(yōu)化,在海霧生消變化規(guī)律的基礎(chǔ)研究上,綜合考慮大氣邊界層、云輻射等方案,結(jié)合地表能量收支、海鹽粒子、液態(tài)水重力沉降等物理因素,對海霧進行數(shù)值模擬和預(yù)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(yù)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(fā)單位有中國氣象局臺風(fēng)海洋預(yù)報中心和數(shù)值預(yù)報中心、中國海洋大學(xué)、上海臺風(fēng)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(xué)開發(fā)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(shù)值預(yù)報模式

2.2.2 海浪模式

參加海浪模式(表2)研發(fā)的有中國氣象局數(shù)值預(yù)報中心、中國氣象局臺風(fēng)海洋預(yù)報中心、中國海洋大學(xué)、解放軍理工大學(xué)、上海臺風(fēng)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(fā)單位均采用目前應(yīng)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(qū)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(yīng)用；對于近海,各家海浪模式預(yù)報區(qū)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(fēng)暴潮模式

風(fēng)暴潮模式(表3)主要包含臺風(fēng)和溫帶風(fēng)暴潮模式,采用三角網(wǎng)格,在沿岸風(fēng)暴潮敏感區(qū)域的分辨率可達幾百米,模式采用干濕網(wǎng)格判別方法,可以模擬風(fēng)暴潮漫灘過程。從調(diào)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(fēng)暴潮模式,但是采用的基礎(chǔ)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(fēng)暴潮模式研發(fā)的有中國氣象局數(shù)值預(yù)報中心、中國氣象局臺風(fēng)海洋預(yù)報中心、中國海洋大學(xué)、上海臺風(fēng)所、廣州熱帶所、天津氣科所。僅黃渤海風(fēng)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(shù)值預(yù)報模式

表3 風(fēng)暴潮數(shù)值模式

我國的海洋氣象數(shù)值模式總體來看技術(shù)輻射能力沒有建立,國家級和海洋區(qū)域中心均沒有下發(fā)海洋數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品。模式研發(fā)主要以科研院所為主,同一個科研單位參與開發(fā)多種海洋氣象數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品。海浪模式基礎(chǔ)模式一致,但氣象背景場多,重復(fù)開發(fā)。風(fēng)暴潮核心模式版本多,但是各種版本的模式?jīng)]有比較。

3 問題與挑戰(zhàn)

從海洋氣象專業(yè)模式現(xiàn)狀分析上可以看出,海洋數(shù)值模式對海洋氣象業(yè)務(wù)的支撐能力有了初步體現(xiàn),形成了一定的技術(shù)支撐作用。但是也可看到,海洋氣象數(shù)值預(yù)報建設(shè)水平參差不齊、研究力量分散且低水平重復(fù)；海洋氣象數(shù)值預(yù)報集約化程度不高、技術(shù)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(xiàn)在以下方面：

(1)海洋氣象數(shù)值預(yù)報開發(fā)種類和數(shù)量不等

國家級、海洋區(qū)域氣象中心和省市級海洋氣象預(yù)報開發(fā)的海洋氣象數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品數(shù)量不等。國家級開發(fā)了海霧、海浪、風(fēng)暴潮、海洋污染物擴散4種海洋氣象數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品,海洋區(qū)域氣象中心和沿海省臺運行海洋氣象數(shù)值預(yù)報的數(shù)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(fēng)暴潮兩種海洋氣象數(shù)值預(yù)報,海南沒有海洋氣象數(shù)值預(yù)報。

(2)海洋氣象數(shù)值預(yù)報研究力量分散且技術(shù)輻射能力不足

省市級氣象部門海洋氣象數(shù)值預(yù)報基本是依托科研院所,開發(fā)海洋氣象數(shù)值預(yù)報的天津氣科所、上海臺風(fēng)所、中國海洋大學(xué)、廣州熱帶所參與所有種類海洋氣象數(shù)值預(yù)報的開發(fā),而不是發(fā)揮自身的特長,集中力量開發(fā)一種或兩種海洋氣象數(shù)值預(yù)報,這樣勢必造成研究力量分散。而且,海洋氣象數(shù)值預(yù)報產(chǎn)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(qū)域氣象中心的海洋氣象數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品基本上是內(nèi)部使用,包括國家級在內(nèi)的部分海洋氣象數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品并沒有下發(fā)。

(3)海洋氣象數(shù)值預(yù)報以引進為主,缺少后續(xù)的改進和更新

沿海省臺海洋氣象數(shù)值預(yù)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(yè)務(wù)和服務(wù)的需求不斷擴展,但卻缺少對模式長遠研發(fā)規(guī)劃的支持和連貫性,科研院所由于沒有后續(xù)科研項目的支撐也沒有改進和跟蹤服務(wù)的動力,因此海洋氣象數(shù)值預(yù)報引進后改進和更新很少,幾乎處于維持不動的狀態(tài)。

(4)缺乏對海洋氣象數(shù)值預(yù)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(shù)值預(yù)報在投放業(yè)務(wù)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(yù)報產(chǎn)品質(zhì)量的好壞也沒有細致地分析。

4 海洋氣象數(shù)值預(yù)報發(fā)展思考和建議

(1)加強總體設(shè)計和籌劃,合理布局

為有效推進海洋氣象精細化預(yù)報業(yè)務(wù)建設(shè),應(yīng)切實加強海洋氣象專業(yè)模式的發(fā)展。在海洋氣象數(shù)值預(yù)報發(fā)展中,應(yīng)加強頂層設(shè)計和謀劃,做到海洋氣象數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)的合理布局。國家級發(fā)展高分辨率的近海、遠海全海域的海洋氣象數(shù)值預(yù)報,海洋區(qū)域中心在國家級海洋氣象數(shù)值預(yù)報的基礎(chǔ)上,運行或發(fā)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(shù)值預(yù)報的框架體系。3個區(qū)域中心拼接成覆蓋中國沿岸及整個沿海的海洋數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品,

拼接的中國沿海海域數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品一方面下發(fā),另一方面上傳到共享平臺。無論是國家級還是區(qū)域級運行的海洋氣象數(shù)值預(yù)報對產(chǎn)品的種類和表現(xiàn)形式協(xié)調(diào)統(tǒng)一,分辨率和時效也要做統(tǒng)一規(guī)劃。

(2)集中研發(fā)力量,發(fā)揮科研院所在某一領(lǐng)域?qū)ｉL

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(fā)展趨勢來看,海洋氣象數(shù)值預(yù)報以發(fā)展高分辨率海陸氣耦合的海洋氣象數(shù)值模式為基礎(chǔ),同化海洋資料再發(fā)展不同的海洋氣象數(shù)值模式。國內(nèi)海洋氣象數(shù)值預(yù)報應(yīng)集中幾個重要的海洋氣象研究方向,發(fā)揮科研院所對某一領(lǐng)域的專長,集中優(yōu)勢深入研究該方向的海洋氣象數(shù)值模式。

(3)積極推進模式檢驗和數(shù)值預(yù)報釋用工作

海洋氣象數(shù)值預(yù)報應(yīng)用單位應(yīng)聯(lián)合模式研發(fā)的科研院所共同開展模式檢驗工作。業(yè)務(wù)單位在模式本地化運行后,應(yīng)不斷加強模式的檢驗和應(yīng)用效果評估工作,并集中反饋給科研單位,為后續(xù)的模式改進和深入研發(fā)提供一手的資料。

海洋氣象精細化預(yù)報業(yè)務(wù)應(yīng)以數(shù)值預(yù)報(大氣、海洋模式)發(fā)展為基礎(chǔ),積極開展模式產(chǎn)品解釋應(yīng)用工作。開展基于數(shù)值預(yù)報基礎(chǔ)的海霧、海上大風(fēng)等災(zāi)害等級使用產(chǎn)品,海上強對流、近岸強風(fēng)等突發(fā)災(zāi)害應(yīng)結(jié)合數(shù)值預(yù)報和當(dāng)?shù)仡A(yù)報經(jīng)驗,開展動力統(tǒng)計等解釋應(yīng)用工作。結(jié)合預(yù)報員預(yù)報經(jīng)驗的數(shù)值預(yù)報釋用方法是沿岸、沿海開展海洋氣象防災(zāi)減災(zāi)的有效途徑之一。

(4)推進海洋集合預(yù)報研究和應(yīng)用,豐富產(chǎn)品的種類和表現(xiàn)形式

海洋服務(wù)和陸地還是有所區(qū)別,陸地局限于固定區(qū)域,海洋服務(wù)的范圍更廣泛,涉及到遠海乃至3大洋領(lǐng)域,因此發(fā)展海洋至遠海的長時效海洋氣象數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品,可以彌補主觀預(yù)報的不足。為了更好地提高海洋氣象數(shù)值預(yù)報的準確率,應(yīng)著力推進發(fā)展海洋集合預(yù)報,開展多模式的海上大風(fēng)、海霧、海浪、海上強對流等的集合預(yù)報技術(shù),同時不斷豐富海洋氣象數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的表現(xiàn)形式和海洋氣象數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的種類。

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

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

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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(yè)（氣象）科研專項（GYHY201206001）