吳玲娟，高 松，徐江玲

(1.國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東青島 266061；

2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266061)

黃渤海近岸精細(xì)化三維溫鹽流業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)

吳玲娟1，2，高 松1，2，徐江玲1，2

(1.國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東青島 266061；

2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266061)

基于國(guó)際先進(jìn)的Regional Ocean Modeling System(ROMS)模式，采用四重網(wǎng)格嵌套和地波雷達(dá)數(shù)據(jù)同化技術(shù)，以青島、石島灣、羊口港和鲅魚圈港附近海域等4個(gè)海域?yàn)槭痉秴^(qū)建立黃、渤海近岸三維溫鹽流精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括系統(tǒng)自動(dòng)控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)、溫鹽流預(yù)報(bào)子系統(tǒng)和預(yù)報(bào)產(chǎn)品后處理子系統(tǒng)。青島近海的預(yù)報(bào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行持續(xù)6年，其他示范區(qū)預(yù)報(bào)系統(tǒng)持續(xù)3年。業(yè)務(wù)化運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，溫度和海流預(yù)報(bào)精度高和運(yùn)行時(shí)間短，滿足業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)要求。該預(yù)報(bào)系統(tǒng)為黃渤海近岸防災(zāi)減災(zāi)、軍事活動(dòng)、海上運(yùn)動(dòng)、交通運(yùn)輸?shù)忍峁┝思皶r(shí)的精細(xì)化海洋環(huán)境預(yù)報(bào)服務(wù)，特別是綠潮、溢油、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

ROMS模型；近岸；精細(xì)化；溫鹽流；業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

0 引言

溫鹽流預(yù)報(bào)是國(guó)內(nèi)外較早開展的海洋預(yù)報(bào)項(xiàng)目之一。由于海上軍事活動(dòng)、海洋防災(zāi)減災(zāi)、交通運(yùn)輸?shù)刃枨螅S海洋數(shù)值預(yù)報(bào)模式發(fā)展很快，特別大陸架附近海域。全球各國(guó)基于各種海洋模式和區(qū)域嵌套技術(shù)等建立了全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)、區(qū)域嵌套高分辨率海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)以及針對(duì)海灣、河口和內(nèi)陸湖泊等的多重嵌套高分辨率海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)。如基于HYCOM模式建立的美HYCOM/NCODA系統(tǒng)和RTOFS系統(tǒng)[1]、挪威在大西洋和北冰洋建立了TOPAZ區(qū)域海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)[2]、巴西的REMO系統(tǒng)[3]；基于NEMO模式建立的海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)有法國(guó)Mercator系統(tǒng)[4]、英國(guó)FOAM系統(tǒng)[5]、意大利MFS系統(tǒng)[6]、加拿大CONCEPTS系統(tǒng)等[7]。國(guó)外預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要特點(diǎn)是海洋模式分辨率不斷提高，海洋觀測(cè)系統(tǒng)和海洋數(shù)據(jù)同化技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了海洋預(yù)報(bào)的快速發(fā)展。國(guó)內(nèi)在海洋三維溫鹽流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)研制方面，國(guó)家海洋局第一海洋研究所、國(guó)家海洋信息中心與有關(guān)單位合作、國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心、中國(guó)海洋大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，以及國(guó)家海洋局有關(guān)分局等單位相繼開展了有關(guān)區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)研究，取得了相應(yīng)階段性研究成果。其中，國(guó)家海洋局第一海洋研究所根據(jù)浪致混合理論，基于MASNUM第三代海浪數(shù)值模式和三維POM海流數(shù)值模式，研制開發(fā)了高分辨率浪—潮—流耦合數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)[8]；國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心研發(fā)的預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要由海面風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、溫鹽流預(yù)報(bào)系統(tǒng)、海浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)及兩極海冰預(yù)報(bào)系統(tǒng)構(gòu)成，預(yù)報(bào)區(qū)域有全球、印度洋、西北太平洋、渤黃東海、南海和兩極地區(qū)。但與國(guó)際應(yīng)用研究相比，我國(guó)在海洋三維溫、鹽、流數(shù)值預(yù)報(bào)主要集中在大范圍海域，對(duì)近海重點(diǎn)關(guān)注海域精細(xì)化海流業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)的研發(fā)比較少。因此本文以青島、石島灣、羊口港、鲅魚圈港附近海域等4個(gè)海域?yàn)槭痉秴^(qū)，基于三維全動(dòng)力Regional Ocean Modeling System(ROMS)模式，采用四重網(wǎng)格嵌套技術(shù)建立了青島近海的精細(xì)化海流數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

1 黃、渤海近岸精細(xì)化海流數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)

1.1 ROMS模式簡(jiǎn)介

ROMS[9-10]區(qū)域海洋模式是一個(gè)廣為使用的包含自由表面、靜力假定和垂向采用S坐標(biāo)系統(tǒng)的曲線正交的三維原始方程模式。ROMS模式基于模塊化設(shè)計(jì)，提供動(dòng)量和溫度、鹽度的原始方程各項(xiàng)包括壓力梯度項(xiàng)的多種離散方案、多種水平和垂向渦動(dòng)系數(shù)的計(jì)算方案、多種邊界處理方法。ROMS與其他模式相比有許多值得關(guān)注的特點(diǎn)，比如：其使用的坐標(biāo)系—S坐標(biāo)系使得溫躍層和底邊界層等這些讓人更感興趣的層面上有更高的解析度；在水平對(duì)流、垂向混合等問題的處理上，也有更多的方案可供選擇等。Ezer[11]等針對(duì)POM與ROMS的不同算法在數(shù)值計(jì)算上的誤差與模式計(jì)算的效率進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)ROMS所使用的方法具有減少計(jì)算上的誤差，允許使用較大數(shù)值積分步長(zhǎng)有增加計(jì)算效率的優(yōu)點(diǎn)。ROMS模式中使用新的高階水平壓力梯度算法，相較于POM模式所采用的水平壓力梯度算法，也可以有效減少模式計(jì)算誤差的累積。ROMS模式已獲得了廣泛的應(yīng)用，包括在海盆尺度的海洋環(huán)流系統(tǒng)[12]和陸架環(huán)流系統(tǒng)[13]的研究。ROMS作為主要的海洋業(yè)務(wù)化模式之一，在COOPS已經(jīng)開始大量使用，并且將其列為今后5年業(yè)務(wù)化海洋模式重要模式之一，但在我國(guó)此模式應(yīng)用尚不十分廣泛。

1.2 預(yù)報(bào)系統(tǒng)的搭建

依據(jù)海洋環(huán)境要素業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)要求，該系統(tǒng)進(jìn)行了一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊化開發(fā)以及標(biāo)準(zhǔn)化接口。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，充分考慮了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和繼承性，使之具備靈活方便的二次開發(fā)功能，便于維護(hù)和升級(jí)；預(yù)報(bào)系統(tǒng)核心模塊實(shí)現(xiàn)了基于MPI通訊機(jī)制的并行化功能，以便在不同架構(gòu)的計(jì)算平臺(tái)上移植。該系統(tǒng)包括4個(gè)子系統(tǒng)(圖1)：系統(tǒng)自動(dòng)控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)、三維溫鹽流預(yù)報(bào)子系統(tǒng)和預(yù)報(bào)產(chǎn)品后處理子系統(tǒng)。預(yù)報(bào)模式子系統(tǒng)中基于三維全動(dòng)力ROMS模式，采用四重嵌套技術(shù)實(shí)現(xiàn)分辨率提高和邊界條件的處理(圖2)，模式大區(qū)域是西北太平洋海域(99°E～148°E，9°S～44°N，范圍較大，沒放在圖2中)，水平分辨率0.1°，垂向25層；中區(qū)是東中國(guó)海海域(117°30′～135°E，24°～41°N，圖2綠色框)，水平分辨率1/30°，垂向16層；小區(qū)域是黃、渤海海區(qū)海域(117°30′～130°E，32°～41° N，圖2紫色框)，水平分辨率達(dá)到1/60°，垂向6層；最小區(qū)域是青島、石島灣、羊口港、鲅魚圈附近海域等4個(gè)示范區(qū)，分辨率達(dá)到1/480°，垂向6層(具體范圍見圖2中4個(gè)紅色框)。模式地形來源于GEBCO(General bathy-metric Chart of Oceans)分辨率為1′×1′的數(shù)據(jù)，對(duì)于黃渤海海域特別是4個(gè)示范區(qū)近岸海域采用海圖和多波速掃描等實(shí)測(cè)水深進(jìn)行水深訂正；利用高分辨率SAR 衛(wèi)星圖像和 Google Earth 進(jìn)行岸線訂正(圖2)。 大區(qū)域模式采用全球海洋模式( HYCOM + NCODA Global1 /12°Analysis) 模式的水位、流場(chǎng)、溫鹽場(chǎng)等輸出結(jié)果作為大區(qū)域模式的初始值和邊界值場(chǎng)，采用國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心業(yè)務(wù)化運(yùn)行的西北太平洋 WRF 大氣模式風(fēng)場(chǎng)和熱通量場(chǎng)等作為大氣強(qiáng)迫場(chǎng)， 得到西北太平洋的環(huán)流場(chǎng)。 中區(qū)域模型采用 業(yè) 務(wù) 化預(yù)報(bào)黃、 渤海海域WRF 模式風(fēng)場(chǎng)和熱通量場(chǎng)驅(qū)動(dòng)模式；采用大區(qū)域每天業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)的結(jié)果作為黃、渤海海區(qū)的初始值和邊界值場(chǎng)，同時(shí)考慮黃河、遼河、淮河等主要河流的作用。 最小區(qū)域模型邊界上采用 M2， S2，N2，K2， K1， O1， P1， Q1等 8 個(gè)分潮和小區(qū)域預(yù)報(bào)結(jié)果驅(qū)動(dòng)。

圖1 預(yù)報(bào)系統(tǒng)流程圖Fig.1 The flow chart of the forecasting system

圖 2 黃渤海近岸溫鹽流精細(xì)化預(yù)報(bào)模型嵌套示意圖( 綠色方框代表東中國(guó)海海域，紫色方框代表黃渤海海域，4 個(gè)紅色方框代表青島、石島灣、羊口港、鲅魚圈等 4 處近岸海域，紅色三角形代表 QF102、QF108、QF103 和 QF109 浮標(biāo))Fig.2 The sketch showing the nested domains of the forecasting system (The green boxes represent the domain of the East China Sea； the purple boxes represent the Huanghai and the Bohai Seas； the red boxes represent the domain of the four demonstration areas； the red triangles represent QF102， QF108，QF103 and QF109 buoys)

1.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)——數(shù)據(jù)同化技術(shù)

利用改進(jìn)集合 Kalman 濾波方法 同化地波雷達(dá)數(shù)據(jù)[14]，以提高海流預(yù)報(bào)精度。 2008 年開始，一對(duì) CODAR 地波雷達(dá)布設(shè)在青島薛家島和小麥島，地波雷達(dá)測(cè)量海流，分辨率 0.5km，測(cè)量范圍20km × 20km，每一小時(shí)輸出數(shù)據(jù)。

(1)收集和整理雷達(dá)數(shù)據(jù)

地波雷達(dá)海流數(shù)據(jù)同化參考單站等觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用比較、插值等方法對(duì)雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和誤差分析。 利用統(tǒng)計(jì)方法給出觀測(cè)誤差的協(xié)方差矩陣。

(2)建立數(shù)據(jù)同化模塊

根據(jù)雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)( 如高頻、空間相關(guān)性等) ，采用順序同化方法，考慮近岸海洋數(shù)值模型高度非線性的特點(diǎn)，選擇集合卡曼濾波或者最優(yōu)插值的同化方法。 設(shè)計(jì)和試驗(yàn)各種主要的集合卡曼濾波方法，利用理想數(shù)據(jù)對(duì)各類集合卡曼濾波同化方案進(jìn)行比較和驗(yàn)證，進(jìn)行具有指定協(xié)方差形式的正態(tài)分布隨機(jī)擾動(dòng)場(chǎng)產(chǎn)生方法的研究。

(3)分析和輸出模塊

根據(jù)同化效果構(gòu)建三維流場(chǎng)的預(yù)報(bào)，分析加入雷達(dá)數(shù)據(jù)同化后海洋模型的預(yù)報(bào)能力，并驗(yàn)證預(yù)報(bào)的有效性。 從模式 同化數(shù)據(jù)前后結(jié)果( 圖3) 可以看出加入同化數(shù)據(jù)跟雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)更吻合。 為了評(píng)估該同化方法的同化質(zhì)量隨時(shí)間的變化情況，計(jì)算了同化前和同化后在 u 和 v 分量上的均方根誤差(圖略，詳見 Xu 等，2014)。 同化后兩個(gè)分量上的均方根誤差均明顯小于同化前的結(jié)果。 均方根誤差減少值在 10cm /s 左右，并且 u 分量的減少值小于 v 分量的減少值，總之，同化了雷達(dá)數(shù)據(jù)后，表層流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)明顯接近于觀測(cè)值。

1.4 系統(tǒng)運(yùn)行流程

該系統(tǒng)以曙光高性能計(jì)算機(jī)(理論峰值為 10萬億次 /秒，存儲(chǔ)容量 30TB) 作為運(yùn)行平臺(tái)。每日 06∶30( CST) 定時(shí)啟動(dòng)，預(yù)報(bào)未來 72h 的三維海流、溫度等海洋環(huán)境要素，整個(gè)業(yè)務(wù)過程完成需要時(shí)間約為 100min， 能滿足日常海洋保障的需要。系統(tǒng)運(yùn)行具體業(yè)務(wù)流程(圖 1)如下：

(1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理：從網(wǎng)上和觀測(cè)系統(tǒng)獲取預(yù)報(bào)子系統(tǒng)所需的大氣強(qiáng)迫場(chǎng)、初始值、邊界值和同化數(shù)據(jù)；

(2) 啟動(dòng)資料同化模塊， 生成預(yù)報(bào)模式子系統(tǒng)啟動(dòng)的合理初始場(chǎng)；

圖3 模式同化前(藍(lán)色箭頭)后(紅色箭頭)表層流場(chǎng)對(duì)比(左圖)以及雷達(dá)觀測(cè)的表層流場(chǎng)圖(右圖)(2012.2.15 2：00)Fig.3 The comparison of surface current fields without(blue)and with(red)assimilation at random moment (at 2：00 on Feb 15，2012)and an overview of the typical radar coverage measured by the CODAR

(3)啟動(dòng)三維溫鹽流預(yù)報(bào)子系統(tǒng)，進(jìn)行72h海流和海溫?cái)?shù)值預(yù)報(bào)；

(4)預(yù)報(bào)結(jié)束后，產(chǎn)品后處理子系統(tǒng)生成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，制作圖形圖像產(chǎn)品，并進(jìn)行產(chǎn)品展示，并進(jìn)行結(jié)果檢驗(yàn)和分析。數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)、海流預(yù)報(bào)子系統(tǒng)和預(yù)報(bào)產(chǎn)品后處理子系統(tǒng)都受系統(tǒng)自動(dòng)控制子系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控，監(jiān)控業(yè)務(wù)化的流程，進(jìn)行故障自動(dòng)報(bào)錯(cuò)和處理。圖4～圖5為青島、石島灣、羊口港、鲅魚圈附近海域精細(xì)化海流系統(tǒng)預(yù)報(bào)表層流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布。

圖4 青島、石島灣、羊口港、鲅魚圈附近海域精細(xì)化海流系統(tǒng)預(yù)報(bào)表層流場(chǎng)分布Fig.4 Distribution of sea surface current in the coastal sea of Qingdao，Shidao bay，Yangkou port and Bayuquan from the operational forecasting system

圖5 石島灣、羊口港、鲅魚圈附近海域精細(xì)化海流系統(tǒng)預(yù)報(bào)表層流溫分布Fig.5 Distribution of sea surface temperature(SST)in the coastal sea of Shidao bay，Yangkou port and Bayuquan from the operational forecasting system

1.4 系統(tǒng)結(jié)果展示

該數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供的西北太平洋海域、東中國(guó)海、黃渤海區(qū)環(huán)流以及青島近海精細(xì)化72 h預(yù)報(bào)產(chǎn)品通過北海預(yù)報(bào)中心網(wǎng)頁(yè)和WebGIS平臺(tái)可實(shí)時(shí)顯示。

2 數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的檢驗(yàn)

預(yù)報(bào)檢驗(yàn)是評(píng)估預(yù)報(bào)結(jié)果質(zhì)量的過程，給出預(yù)報(bào)精度和預(yù)報(bào)結(jié)果隨時(shí)間的變化，并根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果找出預(yù)報(bào)缺陷，以進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)能力。依據(jù)精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)保障需求設(shè)計(jì)，每月10日對(duì)上月數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，并形成月檢驗(yàn)報(bào)告文檔。檢驗(yàn)要素包括24h、48h、72h的風(fēng)場(chǎng)、海流和海溫。用于系統(tǒng)檢驗(yàn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)主要包括小麥島、石島、羊口港和鲅魚圈等海洋站、衛(wèi)星微波遙感觀測(cè)海面溫度數(shù)據(jù)(SST)、黃渤海浮標(biāo)(QF102、QF108、QF103和QF109浮標(biāo)等)、CODAR地波雷達(dá)海流數(shù)據(jù)以及等多源觀測(cè)數(shù)據(jù)。

溫度和海流的數(shù)值預(yù)報(bào)精度受風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)精度的影響，因此該系統(tǒng)也進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品結(jié)果檢驗(yàn)。2013年7月氣象模式中的風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果與QF102浮標(biāo)觀測(cè)值比較(圖6)，2012年1月氣象模式中的風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果與QF109浮標(biāo)觀測(cè)值比較(圖7)，發(fā)現(xiàn)模擬的風(fēng)速和風(fēng)向與浮標(biāo)的基本吻合。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，黃海海域QF102(QF108)標(biāo)所在海域72小時(shí)內(nèi)風(fēng)速的預(yù)報(bào)誤差都小于1.8m/s(1.79m/s)，風(fēng)向的預(yù)報(bào)誤差小于35.3° (26.4°)，氣象模式的模擬結(jié)果是合理可信的；渤海海域QF103浮標(biāo)和QF109預(yù)報(bào)誤差比渤海海域QF103浮標(biāo)和QF109預(yù)報(bào)誤差比黃海的?。籕F109浮標(biāo)所在海域72小時(shí)內(nèi)風(fēng)速的預(yù)報(bào)誤差都小于1.71 m/s，風(fēng)向的預(yù)報(bào)誤差小于20.2°。

圖6 QF102浮標(biāo)2013年7月海面10m風(fēng)速、風(fēng)向計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較(黑色線為實(shí)測(cè)值，藍(lán)色線為24小時(shí)預(yù)報(bào)值)Fig.6 The comparison between the calculated value and the measured value of surface wind speed and direction of QF102 buoy at 10 m in July 2013(black line for observation，blue line for 24 hour forecast data)

圖7 QF109浮標(biāo)2012年1月海面10m風(fēng)速、風(fēng)向計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較(黑色線為實(shí)測(cè)值，藍(lán)色線為24小時(shí)預(yù)報(bào)值)Fig.7 Same with Fig.6 except with QF109 buoy

海洋模式模擬結(jié)果跟浮標(biāo)觀測(cè)值對(duì)比結(jié)果(圖8～圖9)，表明模型的流速和流向與浮標(biāo)觀測(cè)的流速和流向基本吻合。經(jīng)統(tǒng)計(jì)(表1)，黃海海域QF102和QF108浮標(biāo)72小時(shí)表層流速的預(yù)報(bào)相對(duì)誤差均小于20%，表層流向的預(yù)報(bào)誤差均小于28°；渤海海域QF109浮標(biāo)、QF103浮標(biāo)、DYL1測(cè)流點(diǎn)72小時(shí)表層流速的預(yù)報(bào)相對(duì)誤差均小于14%，表層流向的預(yù)報(bào)誤差均小于21°。精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)表層海溫與石島、羊口港、鲅魚圈海洋站(圖2綠色五角星)觀測(cè)表層海溫對(duì)比得到72小時(shí)預(yù)報(bào)誤差小于0.66℃。

圖8 2013年7月QF102浮標(biāo)表層流速、流向計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較Fig.8 The comparison between the calculated value and the measured value of surface ocean current speed and direction of QF102 buoy in July 2013

圖9 2012年1月QF109浮標(biāo)表層流速、流向計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較Fig.9 Same with Fig.8 except with QF109 buoy in Feb 2012

3 系統(tǒng)應(yīng)用

青島近海三維溫鹽流預(yù)報(bào)系統(tǒng)早在2007年就開始研發(fā)，其他示范區(qū)海域的預(yù)報(bào)系統(tǒng)借助2012年重點(diǎn)保障目標(biāo)精細(xì)化預(yù)報(bào)專項(xiàng)研發(fā)，系統(tǒng)都通過嚴(yán)格的檢驗(yàn)測(cè)試后業(yè)務(wù)化運(yùn)行，已業(yè)務(wù)化運(yùn)行時(shí)間為3～6年。黃渤海近岸三維溫鹽流數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果為綠潮、水母、溢油、海冰、落水人員/沉船搜救和風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害模式[15-17]和山東省等海洋防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)[18]提供了及時(shí)的精細(xì)化的海洋環(huán)境動(dòng)力場(chǎng)，為北海區(qū)的海洋防災(zāi)減災(zāi)工作提供有力的技術(shù)依據(jù)。2013年11月青島黃島發(fā)生輸油管道爆燃溢油事故，基于監(jiān)測(cè)結(jié)果、該系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果和溢油行為與歸宿模型[19]進(jìn)行精細(xì)化的溢油漂移路徑和最大掃海面積預(yù)測(cè)，為了解溢油漂移擴(kuò)散和災(zāi)害應(yīng)急處置提供了科學(xué)的依據(jù)。該系統(tǒng)為2008年奧運(yùn)會(huì)帆船/板賽、2009年沃爾沃環(huán)球帆船賽和2012年第三屆亞洲沙灘運(yùn)動(dòng)會(huì)等海上體育運(yùn)動(dòng)和海上交通提供水文保障；特別根據(jù)青島和海陽(yáng)近海海流分布情況和綠潮漂移情況，為綠潮打撈工作設(shè)置可靠的打撈方案，節(jié)省了人力物力，具有較高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。另外，同時(shí)該系統(tǒng)提供的精細(xì)化的海流預(yù)報(bào)結(jié)果可用于科學(xué)研究，如海流結(jié)合風(fēng)場(chǎng)和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)資料，分析2008年和2009年黃海綠潮的漂移路徑差異可能機(jī)制[20]，認(rèn)為通過對(duì)黃海海域海面風(fēng)場(chǎng)和表層流場(chǎng)的早期預(yù)測(cè)，可以提前預(yù)測(cè)綠潮的影響區(qū)域和程度。

表1 10m風(fēng)場(chǎng)、表層海流和海溫的預(yù)報(bào)(相對(duì))誤差Tab.1 Forecasting(relative)error of wind at 10m，ocean current and SST

4 結(jié)論

本文基于國(guó)際先進(jìn)區(qū)域海洋模式——ROMS模式，建立涵蓋西北太平洋、東中國(guó)海并以青島、鲅魚圈、石島灣核電站和羊口港附近海域等為重點(diǎn)示范區(qū)的四重嵌套溫鹽流模型。該模型采用集合Kalman濾波方法同化地波雷達(dá)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)同化實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，數(shù)據(jù)同化技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了海流預(yù)報(bào)精度。并在此模型基礎(chǔ)上建立了包括系統(tǒng)自動(dòng)控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)、溫鹽流預(yù)報(bào)子系統(tǒng)和預(yù)報(bào)產(chǎn)品后處理子系統(tǒng)的黃渤海近岸精細(xì)化海流數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并進(jìn)行了為期3～6年的業(yè)務(wù)化運(yùn)行和預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)。系統(tǒng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，非計(jì)算機(jī)故障的運(yùn)行正常率達(dá)到98%；數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品具有較高精度，整個(gè)業(yè)務(wù)流程運(yùn)行在100 min以內(nèi)，達(dá)到業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)的要求。該系統(tǒng)預(yù)報(bào)結(jié)果為綠潮、溢油、風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害模式和各省海洋防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)[21]提供了精細(xì)、準(zhǔn)確和及時(shí)的海洋環(huán)境動(dòng)力場(chǎng)，為北海區(qū)的海洋防災(zāi)減災(zāi)工作提供及時(shí)可靠的技術(shù)支撐。該預(yù)報(bào)系統(tǒng)也為海上軍事活動(dòng)、海上運(yùn)動(dòng)、海上交通運(yùn)輸?shù)忍峁┯行У暮Ｑ蟓h(huán)境保障，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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Development of Huanghai and Bohai Coastal Sea High Resolution and Operational Numerical Temperature-Salinity-Current Forecasting System

Wu Lingjuan1，2，Gao Song1，2，Xu Jiangling1，2
(1.North China Sea Marine Forecasting Center，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation，Qingdao 266061，China)

This paper elaborates the development of the Huanghai and Bohai coastal sea high-resolution and operational numerical temperature-salinity-current forecasting system based on the advanced Regional Ocean Modeling System(ROMS).The technologies of quadruple nested grid model and high-frequency radar current data assimilation were adopted.The surrounding waters of Qingdao，Shidao bay，Yangkou port and Bayuquan were chosen as demonstration areas.This system consists of four sub-systems，which are automatic control sub-system，data pretreatment sub-system，current forecasting sub-system and production reprocessing and publication sub-system.The operational run of Qingdao model has lasted for more than six years and the other three models have lasted for three years.This indicates that the system is relatively stable with high forecasting accuracy and short performing time，which meets the requirement of the operational run.Moreover，this forecasting system provides timely marine environment prediction for military activities at sea，marine transport and marine disaster prevention and mitigation.It is especially applicable for forecasting such marine disasters as green tide，oil spill and storm surge and has social and economic benefits.

ROMS；coastal sea；high resolution；temperature-salinity-current；forecasting system

X321.029

：B

：1673-8047(2015)04-0083-09

2015-05-14

中科院海洋環(huán)流與重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(KLOCAW1403)

吳玲娟(1979—)，女，博士，高級(jí)工程師，主要從事海洋預(yù)報(bào)研究及防災(zāi)減災(zāi)工作。