美国海军业务化海洋预报系统发展历程及启示

2021-12-10李茂林余向军李庆红

舰船科学技术 2021年10期

李茂林，余向军，李庆红

(海军大连舰艇学院军事海洋与测绘系，辽宁大连 116018)

0 引言

海军需要理解海洋物理学，建立数值模式，同化观测数据，以增强海军在复杂海洋环境中遂行多样化任务的能力。

1976年6月，在加利福尼亚州蒙特利举行了一次“海洋预报”研讨会，以评估海军在预报和天气建模方面的需求，并确定一项初步的长期海洋预报计划。1981年，在蒙特利举行了第二次“海洋预报”研讨会，讨论进展和今后的方向。这次研讨会建议利用实时、现场和遥感数据改进海洋预报；开发四维数据同化方法；为开放和封闭的边界环流开发先进的统计和动力学方法，并了解深海变化。1986年，海军海洋学家和海军研究局主持召开了第三次研讨会，讨论在先进的技术和海军需求的基础上进行海洋预报。这次研讨会建议运用全球海洋观测系统中高度计、散射计和水色传感器资料、海面及以下的现场测量进行海洋中尺度现象预报。为了更好满足海军需求，尤其是那些和反潜战相关的预报，与会者建议将高分辨率区域模型和全球模型相结合，为战术行动提供预测支持。

这三届海洋预报研讨会的召开奠定了美国海军海洋预报发展的基础，推动了美国海军海洋预报系统发展的进程，从最初的海洋热力学结构的模拟和预报，到海洋动力学模式的开发和应用，以及对中尺度现象的关注和重视，美国海军循序渐进，制定了一套较为完备的海洋预报发展计划。

1 全球和区域海浪预报系统

美国海军目前采用的全球和区域海浪模式为Wavewatch III，Wavewatch模式最初由Delft大学开发，它现在的形式，指的是Wavewatch III （WW3），是美国国家海洋和大气管理局的国家环境预报中心开发的。

WW3的控制方程为动谱平衡方程。除了传统的深水源函数外，最新版本模式（WW3版本4）还可以选择性表示其他一些源项，包括底摩擦、底散射、海冰、来自冰山和陡峭海岸线的反射、拍岸浪破碎、流化泥浆和三波非线性相互作用的影响。在某些情况下，对同一物理过程存在多个选项，允许不同的理论、参数化和数值精密性。除了静态地形，该模式优化提取了几个可能是非平稳和非均匀的场：表面流、水位、冰特性、10 m风矢量和气海温度差（代表大气稳定性）。未解决的岛屿和海冰可以用亚网格参数化方法处理。WW3版本3只允许规则结构化网格，而WW3版本4可以在规则结构化和非结构化网格上执行计算。根据用户对精度性能和计算成本的权衡，可以选择1阶、2阶和3阶精度的传播方案。输出格式类型进一步扩展，包括NetCDF格式。许多新的变量被添加到输出，如与大气和海洋模式耦合的动量通量变量，以及破碎波统计诸如白浪覆盖。

舰队数值气象海洋中心（FNMOC）是海军负责全球和大区域尺度海浪模式的业务中心。2001年8月，FNMOC用Wavewatch III取代了WAM。FNMOC业务系统的设计考虑了2个优先事项：一是全球产品的快速部署；二是高分辨率气象产品的开发。第1个优先事项意味着全球海浪产品在全球气象产品可用后很快就可用，第2个优先事项意味着区域网格的设计要与区域气象模式相吻合。目前，FNMOC使用的WW3网格都是规则网格。2004年11月来自卫星高度计测量的波高同化被添加到FNMOC全球WW3模式；2011年3月，系留浮标波高测量被添加到波高资料同化；2012年10月，数据同化方案从简单的最优插值（OI）升级为三维变分同化方案。

在FNMOC采用WW 3几年后，海军海洋局（NAVOCEANO）还在坚持用WAM，但2012年后，NAVOCEANO逐步用WW3取代了WAM。

2 近岸海洋预报系统

预测近岸环境的动态对海军行动的诸多方面都很重要，与深海相比，近岸长度尺度要小得多（从几米到几百米），这意味着模拟近岸环境的典型分辨率比全球甚至区域模式的分辨率要高得多。

2.1 SWAN

近岸区域的海浪典型预报使用SWAN海浪模式，它解决了波动平衡方程预测波能量谱在沿海区域物理空间（x/y或经纬度）和谱空间（频率/方向）的演变问题。使用动谱平衡方程有利于纳入由环境海流引起的多普勒频移。该模式的典型输入包括：来自诸如Delft3D-FLOW海流模式或海军沿岸海洋模式（NCOM）的海流、地形，来自气象模式的风，来自诸如Wavewatch III全球或区域海浪模式的谱，在开边界预计将通过开边界传递大量波能量进入域。该模式提供了全球超过350个区域的每日预报，其中约1/3是近岸/沿海领域。

2.2 Delft3D

Delft3D是一个模式组件，被设计用于在沿海、河口和河流地区的计算。它可以用来计算速度、海面高度、海浪、温度、盐度、水质，以及这些地区时间和长度尺度大于那些单个波的形态变化。它由若干模块组成，这些模块使用一个公共接口耦合在一起，可以独立执行，也可以相互结合。对于海军行动，通常使用的模块有Delft3D-FLOW（简称FLOW）和Delft3DWAVE（简称WAVE）。

FLOW模块可以在二维或三维模式下运行，解决不可压缩流体的纳维-斯托克方程，假设条件为浅水条件和Boussinesq假设。该模式可以建立在z坐标系（固定层深度）或σ坐标系（地形跟随）。在σ坐标系中，假设流体静力流动，而z坐标系也可用于非静力流动。可以规定不同类型的边界条件，包括水位、速度，或者两者的组合。潮汐可以指定为边界条件的水位和/或速度。对于部分或完全封闭的水体，潮汐势可以包含在内，以便在域中产生潮汐。此外，该模式可以被海浪、风、河流流量、温度和盐度驱动。WAVE模块通常与FLOW模块耦合运行，它由一个封装器组成，创建输入文件来运行SWAN和SWAN可执行文件。WAVE模块可以从FLOW获得水位、表面速度、风场和水深，并反过来向FLOW提供波浪力（基于辐射应力或耗散）和波轨道速度。

2.3 SWANFAR

SWANFAR系统是一个四维变分（4Dvar）数据同化系统，使用波数据，可作为模式域中离散位置的时间函数，以提高整个域的模式预报性能。该系统围绕一个离散的数值伴随结构化版本的SWAN建立，由一个伴随子程序集合组成，每个单独构建都来自原始SWAN相应的子程序。伴随将模式数据误差在时间和空间上传播回初始时间和边界。一个SWAN的线性扰动，包括修改后的SWAN子程序相应集合，其中每一个已被线性化和重铸传播波作用和其他参数，用于确定在观测位置的模式数据误差，用于下一次迭代。

3 全球海洋和海冰预报系统

美国海军全球海洋预报系统目前由0.08°混合坐标海洋模式（HYCOM）和海军耦合海洋数据同化（NCODA）系统组成，具有较高的水平分辨率和自适应垂直坐标系，能够生产临近预报（海流状态）和预测海洋“天气”，包括三维海洋温度、盐度和海流结构，表面混合层深度，中尺度特征的位置如涡旋、弯曲流和海洋锋。其每天在海军海洋局运行，提供7天的预报，支持海军行动，为更高分辨率的区域模式提供边界条件，并提供给业界使用。2012年的预报试验结果表明，该系统有能力预报海洋中尺度结构，例如能预报约10天的湾流和14天多的全球海洋和其他选定的区域。预报性能对大气强迫的类型非常敏感。在混合层和温跃层深度范围内，次表层温度偏差较小（< 0.25°C），均方差峰值较小。与同一网格上的海冰模式（CICE）耦合，HYCOM/CICE/NCODA系统（最初仅限于北极）提供海冰预报预测。冰缘线位置误差比以前的海冰预报系统有所改进，但其同化卫星观测数据的准确性在一定程度上受到限制。

3.1 全球混合坐标海洋模式

全球混合坐标海洋模式（HYCOM）具有赤道水平分辨率0.08°（赤道附近1/12.5° 或～9 km，中纬度地区～7 km，北极附近～3.5 km），使得该系统能够分辨中尺度涡旋，解决了模拟西边界流、中尺度变化、海洋锋位置和强度的动力学问题。HYCOM网格是均匀的，78.64°～66°S是圆柱形投影，66°S～47°N是墨卡托投影。47°N以北采用北极偶极子网格，将极点转移到陆地上，以避免在北极出现奇点。模式采用来自舰队数值气象海洋中心的大气强迫。其输出间隔为3 h，最初来自海军业务化全球大气预报系统（NOGAPS），2013年8月改为海军全球环境模式（NAVGEM）。

3.2 海军耦合海洋数据同化

目前使用的海军耦合海洋数据同化（NCODA）版本是一个全三维、多变量、变分海洋数据同化方案。三维海洋分析变量包括温度、盐度、位势和矢量速度分量，所有这些都是同时分析的。NCODA可以在标准独立模式下运行，但这里它和HYCOM循环使用，以连续的增量更新循环方式为下一个模式预报提供更新的初始条件。对HYCOM预报的修正是基于自上次分析以来获得的所有观测结果，包括卫星海面观测。如高度计海面高度（SSH）异常、SST和海冰浓度，加上来自船舶和浮标的现场SST观测和来自抛弃式温深仪（XBTs）、电导率-温度-深度传感器（CTDs）、滑翔器、Argo浮标的温度和盐度剖面数据。通过数据同化和利用模式动态插值技术，将各种观测数据类型结合起来，可以更准确进行三维海洋环境预报。

3.3 海冰预报系统

极地地区的海上行动依赖于准确的冰情预报。美国海军于1996年7月采用极地海冰预报系统（PIPS）用于北极地区的海冰业务化预报，2011年PIPS的角色被北极冰盖预报系统（ACNFS）取代。ACNFS的模式组件是洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的CICE，HYCOM是它的基础海洋模式。CICE拥有比全球系统中使用的“能量-收支”海冰模式更复杂的物理机制，改进了早期海冰模式，包括多个冰厚度层、多个雪厚度层和新的冰缘参数化。海洋和海冰模式是双向耦合的，每个小时在它们之间都有场传递。模式在北极点附近的水平分辨率约为3.5 km。ACNFS使用和全球系统相同的大气强迫。通过直接插入来自卫星专属传感器微波图像声学数据的NCODA分析冰浓度，CICE在1 800时更新。ACNFS为美国国家冰中心（NIC）提供7天的冰浓度、厚度、漂移和其他要素。据称ACNFS在不久的将来将被全球耦合HYCOM/CICE/NCODA系统所取代。

4 热带气旋预报系统

位于加利福尼亚州蒙特利的美国海军研究实验室（NRL）开发了耦合海洋/大气中尺度热带气旋预报系统（COAMPS-TC）。该模型建立在现有的COAMPS基础结构上，增加了新的功能组件和先进的数据同化、涡初始化、物理量参数化和海-气耦合，以适合高分辨率的热带气旋预报。

COAMPS-TC系统由数据质量控制、分析、初始化和预报模型子组件构成。该系统已于2012年在舰队数值海洋气象中心（FNMOC）转化为业务化系统，2013年6月进行了首次业务化预报。海军大气变分数据同化系统（NAVDAS）用来综合观测的风、温度、湿度和压力，这些数据有多个来源，比如无线电探空仪、探空气球、卫星、表面测量、船舶、浮标和飞机。

来自美国国家飓风中心（NHC）和联合台风预警中心（JTWC）的综合观测被用作热带气旋结构和强度的初始条件。通过在NAVDAS中使用这些综合观测来表示飓风的特征，然后融合综合观测与其他可用的实时观测来描述TC环流以外的更大尺度的环境。海面温度分析直接使用海军沿岸海洋数据同化（NCODA）系统在模型计算网格上进行，它利用所有可用的卫星、船舶、漂流计和浮标观测数据。在耦合应用中，NCODA和NAVDAS系统采用的数据同化周期的第一个分析猜测都来自先前的短期预报。COAMPS-TC大气模型采用非静力和可压缩的动力学形式，并对风的3个分量（2个水平分量和垂直分量）、扰动气压、位温、水汽、云滴、雨滴、冰晶、雪花、冰雹（弱冰雹）和湍流动能预报变量。物理参数化包括云微物理过程、对流、辐射、边界层过程和表层通量的表示。COAMPS-TC模型包含了海洋表面附近的耗散热量的表示，这对热带气旋强度预报很重要。COAMPSTC系统采用灵活的嵌套设计，当多个风暴在给定时间出现在同一个海盆时，这种设计是有用的，利用专门的选项移动嵌套分别跟随单独的感兴趣的热带气旋中心。COAMPS-TC的大气部分使用3个嵌套网格，水平分辨率分别为45 km，15 km和5 km，有40个垂直分层从10 m延伸到大约30 km。内部的2个网格跟随风暴。

COAMPS-TC系统具有在完全耦合的海气相互作用模式下运行的能力。COAMPS-TC的大气模块与海军沿岸海洋模式耦合以表示海气相互作用过程。COAMPSTC系统有一个选项来预报海面波以及大气、海洋环流与波浪之间的相互作用，使用SWAN或WAVEWATCH III模式。

5 全球环境预报系统

自1982年8月至2013年2月，美国海军全球天气预报模式采用的是海军业务化全球大气预报系统（NOGAPS）。虽然NOGAPS经历了许多分辨率的变化和改进的亚网格尺度物理过程的参数化，但由于业务化计算资源的限制，其欧拉谱动力学内核将其分辨率限制在42 km水平分辨率和42垂直分层。美国海军研究实验室（NRL）开发了一种改进的半拉格朗日/半隐式（SL/SI）动力学内核，以满足增加全球分辨率和更先进的物理参数化的需要。采用这种新的SL/SI方程作为动力学（绝热）内核增加了计算效率，使得增加分辨率、添加更多种类和改进物理机制在计算上是可行的。因此，一个新的全球SL/SI模式——海军全球环境模式（NAVGEM）被创建。

2013年2月13日，美国海军的天气预报系统达到了一个新里程碑，海军全球环境模式（NAVGEM）取代了海军业务化全球大气预报系统（NOGAPS）用于全球业务化气象预报。新的业务化系统NAVGEM 1.1结合了半拉格朗日/半隐式动力学内核与先进的亚网格尺度湿过程、对流、臭氧和辐射的参数化。NAVGEM 1.1过渡版本的模式物理改进包括将云液态水、云冰水和臭氧作为预测成分。在成功测试了一种新的质量通量方案后，2013年11月6日过渡到第2个版本NAVGEM 1.2。在涡动扩散垂直混合参数化中加入质量通量参数，降低了海洋上空低对流层的冷温度偏差，进一步增强了NAVGEM的预报能力。

6 海洋预报在海军作战决策支持中的应用

6.1 美国海军海洋局使用的海洋预报系统

美国海军海洋局（NAVOCEANO）提供日常业务化全球、区域和沿岸海洋模式预报及其相关预报产品。所使用的模式包括已开发的三维环流、海浪和冰预报系统，以满足海军需求。这些模式是被海军大气模式驱动的，由海军开发的海底地形约束。此外，美国海军海洋局从现场和遥感资源获取、质量控制和传送实时海洋观测，供海洋模式同化。这些观测也用于评估模式性能和开发海洋气候产品。运行这个海洋模式组件需要超级计算能力，以及一个独特的熟练的模式操作团队来维持系统的运行。专门的海洋预报员解释这些预报并将这些信息用于海军行动。从需求到开发再到业务化的路径保证了研发、生产和海军业务化应用之间的紧密联系。

美国海军海洋局海洋模式采取了一系列方法，每日预报循环开始于全球预报模式，逐步缩小到更高分辨率的区域和近岸模式（见图1）。这些海洋模式大部分是在海军研究实验室（NRL）开发的，输出全球、区域、近岸二维和三维海洋动力和热力性质，以及二维区域和沿岸波浪性质。海军海洋局确保这些模式按计划运行，数据及时交付给海军用户，并提供信息的解释。

图1 美国海军海洋局（NAVOCEANO）每天运行从全球到沿岸尺度的海洋和海浪模式系统流程图Fig. 1 Flow chart of NAVOCEANO daily operational ocean and wave model system from global to coastal scales

6.2 海洋预报产品如何支持海军应用

美国国防部大型专属门户网站每天向海军用户发布更新的海洋模式预报产品（图形和数据）。该网站包括海洋温度、盐度、表面高度和多个深度与时间步长海流的JPEG图形。该网站还提供波特性的预报，如有效波高、平均波向和平均波周期图形。通过点击一个按钮，海军客户可以查看模式预报条件，并添加相关图像到一个业务化简报。该网站还为拥有适当战术软件的客户提供压缩数据文件。

美国海军海洋局的客户服务办公室（CSO）集中管理特殊客户的需求。当与CSO联系以获取产品或信息时，会生成一个服务请求并分配给相应的部门完成。CSO和海军海洋局分析师直接与客户交流，以确保提供的信息是有用的、完整的，并及时交付。对于海洋模式产品，所提供的信息可能有多种形式。它可以直接发送出去，或张贴在门户网站上以供实时访问。政府合作伙伴可以通过国防部超级计算资源中心的档案馆获得模式数据，或者数据提取后通过DVD邮寄。

海洋预报产品的一个重要例子是战术海洋学特征评估（TOFA）。该产品是一个与Microsoft PowerPoint或Google Earth兼容的文件，其中有模式变量如温度或海流的绘图，并覆盖了主要海流、温度锋和涡旋等特征。TOFA将深入讨论所提供的信息如何影响在动态演变的海洋中的行动，尺度从小时到天。对不确定性的评估，在某些情况下，还可以添加关于环境最佳利用的建议或替代方法。TOFA还可以根据海军海洋局的综合历史或气候数据，回答用户的具体问题。在多数情况下，为确保预报产品提供最佳的行动支持，海洋预报员与海军人员合作交流意见是非常必要的。

7 启示

从美国海军的业务化海洋预报发展历程和成功的经验来看，以下几点值得借鉴学习。

1）军民结合，发展路线清晰。1976年、1981年和1986年三届海洋预报研讨会的召开奠定了美国海军海洋预报发展的基础，逐步形成了美国海军海洋预报系统发展的进程表，从最初的海洋热力学结构的模拟和预报，到海洋动力学模式的开发和应用，以及对中尺度现象的关注和重视，美国海军循序渐进，制定了一套较为完备的发展计划。从这个发展历程中可以看到，美国海军的海洋预报工作始终是由海军主导，由海军提出需求，充分利用海洋学界的智力资源来完成研发任务，做到了军民结合，资源共享。

2）紧贴作战，不断更新发展。美国海军的业务化海洋预报一直以海军作战需求为牵引，随着装备和作战样式的发展，海洋预报工作的重点也随之调整。比如海军提出“由海向陆”战略后，海洋预报的重点由全球、区域转向“近海”。海军将自主式水下航行器（AUV）纳入作战运用后，对水下环境预报的关注度也随之加大。为了提高预报模式的精度和时效性，模式开发人员及时将海洋观测、计算机技术和数据同化技术等最新成果吸收纳入预报模式中，不断改进完善。此外，为了保证预报模式的准确性和可靠性，在模式研究版本正式过渡到业务化运行之前，必须经过大量的验证测试工作。

3）体系合理，保障效果良好。美国海军舰队数值气象海洋中心（位于加利福尼亚州蒙特利市）主要负责气象学保障业务，海军海洋局（位于密西西比州斯坦尼斯航天中心）以海洋学保障为主，海军海洋学水雷战中心（位于斯坦尼斯航天中心）负责水雷战海洋环境保障，海军海洋学反潜战中心（分别位于斯坦尼斯航天中心和横须贺）负责反潜战海洋环境保障。这种以要素划分的保障体系保证了各个业务中心的研发重点清晰，技术力量集中，水平先进。