庹文豪，榮增瑞,??，于曉林

(1.中國海洋大學海洋與大氣學院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

東中國海地處西北太平洋，是世界上最寬闊的陸架邊緣海之一，受黑潮、臺灣暖流、對馬暖流、近岸沿岸流等多重流系的影響，水動力環(huán)境復(fù)雜[1-4]。近年來受人類活動和自然變化的共同影響，東中國海局部海域的生態(tài)環(huán)境惡化，赤潮、缺氧災(zāi)害頻發(fā)，海上污染事件也時有發(fā)生[5-6]。此外，綠潮自2008年以來連續(xù)13年影響南黃海和山東近海，嚴重威脅區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和漁業(yè)資源安全乃至人類健康，制約了經(jīng)濟可續(xù)發(fā)展。發(fā)展水動力預(yù)報技術(shù)，實現(xiàn)近海環(huán)境的實時模擬及預(yù)報，是了解海洋生態(tài)災(zāi)害和海上災(zāi)害防控的重要基礎(chǔ)。

近年來，國內(nèi)外相繼發(fā)展了多尺度的海洋模擬預(yù)報系統(tǒng)。如美國國家海洋伙伴NOPP(National Oceanographic Partnership Program)計劃發(fā)展了HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model)全球海洋預(yù)報系統(tǒng)，每天1次給出全球未來7天的水動力預(yù)報。法國的Mercator和英國的FOAM(Forecasting Ocean Assimilation Model)全球海洋預(yù)報系統(tǒng)提供1/12(°)渦旋識別模式數(shù)據(jù)，以及為區(qū)域模式提供邊界條件的1/4(°)數(shù)據(jù)[7-8]。日本建立了MRICOM預(yù)報系統(tǒng)，提供全球、北太平洋、西北太平洋1(°)、1/2(°)、1/10(°)每5天一次的60天預(yù)報數(shù)據(jù)[9]。對于陸架近海，O’Dea等[10]在歐洲西北大陸架建立了業(yè)務(wù)海洋預(yù)報系統(tǒng)，以應(yīng)對近陸架海域業(yè)務(wù)系統(tǒng)中難以廣泛應(yīng)用數(shù)據(jù)同化的問題。Marta-Almeida等[11]針對巴西東南部建立了自動化海洋預(yù)報系統(tǒng)，每天提供5天的水動力預(yù)報。Peng等[12]建立了美國舊金山灣海洋預(yù)報系統(tǒng)，提供海灣附近的水文預(yù)報。中國在海洋預(yù)報方面也取得了較大進展。如沈紅等[13]基于POMgcs模式建立了中國海及鄰近海域三維溫鹽流數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，每天自動進行7天的水動力預(yù)報。Wang等[14]以ROMS模式為基礎(chǔ)發(fā)展了南海海流預(yù)報系統(tǒng)，對溫鹽及海平面進行預(yù)報。

目前，中國建立的大部分區(qū)域或近岸海洋預(yù)報系統(tǒng)仍多使用氣候態(tài)海洋邊界，或使用國外開源的大氣與海洋模式預(yù)報強迫。海洋與大氣之間的協(xié)調(diào)一致性如何還不明確，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性也難以保證。近年來，中國正在加快研發(fā)適合于中國及周邊海域的“兩洋一?！焙Ｑ?大氣耦合預(yù)報系統(tǒng)，該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)同化、國產(chǎn)眾核適用模擬方面取得了多項自主成果，在臺風的模擬預(yù)報方面已經(jīng)體現(xiàn)出良好的優(yōu)越性[15]?；诖?，發(fā)展降尺度預(yù)報技術(shù)，建立降尺度的東中國海水動力預(yù)報系統(tǒng)，研究耦合預(yù)報結(jié)果在區(qū)域海洋環(huán)境預(yù)報中的適用性，對區(qū)域的動力和生態(tài)災(zāi)害預(yù)警和防控具有重要意義。本文基于“兩洋一?！瘪詈项A(yù)報系統(tǒng)，構(gòu)建東中國海降尺度預(yù)報系統(tǒng)框架，對比分析預(yù)報模式對海洋-大氣耦合預(yù)報強迫和非耦合海洋、大氣強迫的敏感性，為理解和改進預(yù)報系統(tǒng)提供科學依據(jù)。

1 模式與數(shù)據(jù)

本文使用的數(shù)值模式是東中國海ROMS海洋模式(見圖1)，由Rong等[16]開發(fā)并用于研究潮汐對長江沖淡水的影響。Rong等[16]和Li等[17]驗證了模式對東中國海潮波-潮流系統(tǒng)的模擬能力，Guo等[18]進一步驗證了模式對溫鹽和長江沖淡水的模擬能力。模式采用非等距曲線網(wǎng)格，計算范圍包括長江口和渤、黃、東海，在東海陸架區(qū)分辨率較高，可達2～3 km，向外海逐漸增加至約10 km。模式水平網(wǎng)格數(shù)為362×242，垂直方向采用s坐標，共20層，垂直方向的坐標拉伸系數(shù)θs=5，θb=0.4。模式開邊界對水位使用Chapman邊界條件，對二維流場使用Flather邊界條件，對三維流場使用的是Radiation邊界條件，模式的其它參數(shù)配置可參見Rong等[16]和Guo等[18]。

(每隔5條畫一條線。等深線以米為單位。For visual clarity, only selected grid lines(1 out of 5)are showed.Bathymetry contours are given in meters.)

基于東中國海ROMS海洋模式，本文將構(gòu)建東中國海水動力短期預(yù)報系統(tǒng)。系統(tǒng)使用的海洋和大氣強迫為“兩洋一?！瘪詈项A(yù)報系統(tǒng)(APRCP：Asia-Pacific Regional Coupled Prediction System)的預(yù)報結(jié)果[19]。APRCP耦合預(yù)報模式的網(wǎng)格范圍為25°S—66°N，30°E—187°E，其中大氣模式為WRF(Weather Research and Forcasting Model)，海洋模式為ROMS(Regional Ocean Modeling System)，大氣模式水平分辨率為27 km，海洋模式水平分辨率9 km(見圖2)，模型每天預(yù)報1次，給出未來18天的海洋和大氣預(yù)報結(jié)果。APRCP耦合預(yù)報系統(tǒng)中海洋-大氣耦合方式為海洋向大氣提供海表面溫度(SST)作為大氣的下界面邊界條件，大氣向海洋提供的海表面通量(短波輻射、凈熱通量等)作為強迫場，該模式將高分辨率耦合模式與精細化觀測信息的結(jié)合，同化了眾多開源和自主觀測資料，實現(xiàn)了高分辨率和高頻的區(qū)域耦合模擬、同化及預(yù)報[19]。本研究使用APRCP的海洋和大氣預(yù)報結(jié)果作為東中國海預(yù)報模式的海洋和大氣強迫。對于大氣強迫，由于東中國海ROMS模式使用塊體公式(COARE-3.0)計算海氣熱通量，使用的APRCP大氣強迫變量包括海面氣溫、海面氣壓、相對濕度、降雨、海面10 m風速和長波輻射通量，時間頻率是6 h；對于海洋開邊界，需要用到APRCP海洋模式預(yù)報的溫度、鹽度、海面高度、三維流場，時間頻率是6 h。

圖2 “兩洋一海”區(qū)域耦合預(yù)報系統(tǒng)計算區(qū)域

為了對比分析海洋-大氣耦合預(yù)報強迫的適用性，本研究還構(gòu)建了非耦合的海洋和大氣強迫驅(qū)動的東中國海水動力預(yù)報系統(tǒng)，其中海洋邊界強迫使用的是HYCOM全球海洋預(yù)報結(jié)果，上邊界大氣強迫使用的是GFS全球大氣預(yù)報結(jié)果。HYCOM全球海洋預(yù)報系統(tǒng)使用垂向混合坐標，每天預(yù)報一次給出未來7天的預(yù)報結(jié)果，目前實時更新的GOF 3.1全球數(shù)據(jù)始于2014年，提供3 h間隔數(shù)據(jù)，包括溫、鹽及海表面高度等，數(shù)據(jù)水平分辨率在40°S—40°N區(qū)間，為0.08(°)×0.08(°)，其余區(qū)域為0.08(°)×0.04(°)。GFS全球大氣預(yù)報系統(tǒng)的動力核心為立方球有限體積模型(FV3)，是美國國家海洋與大氣管理局NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)推出的全球數(shù)值天氣預(yù)報計算模式，每天4次給出未來16天的預(yù)報結(jié)果，水平分辨率為0.25°。本研究使用了GFS大氣預(yù)報模式00Z時刻的預(yù)報場區(qū)驅(qū)動海洋模式進行預(yù)報計算，使用00Z、06Z、12Z、18Z時刻的分析場進行分析計算，相關(guān)變量與APRCP相同；使用HYCOM的分析場和預(yù)報場進行相應(yīng)的分析和預(yù)報計算，包括溫度、鹽度、海面高度和三維流場。

本研究的驗證分析主要使用海表面溫度(SST)和海平面異常(SLA)資料。SST數(shù)據(jù)使用NOAA提供的SST最優(yōu)插值日平均數(shù)據(jù)OISST-V2，該數(shù)據(jù)融合了不同平臺，包括衛(wèi)星、船舶、浮標和Argo浮標的觀測數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25(°)×0.25(°)。SLA數(shù)據(jù)由CMEMS(Copernicus Marine Environment Monitoring Service)提供，該數(shù)據(jù)由法國衛(wèi)星海洋學存檔數(shù)據(jù)中心AVISO(Archiving Validetion and Inter Pretation of Satellite Oceanographic Data)發(fā)布的多任務(wù)高度計數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)DUACS(Data Unification and Altimeter Combination System)處理得到，融合了包括JASON-3、SENTINEL-3A、HY-2A等多個高度計的測高產(chǎn)品，空間分辨率為0.25(°)×0.25(°)。

2 東中國海水動力短期預(yù)報系統(tǒng)的構(gòu)建和驗證

2.1 預(yù)報系統(tǒng)的框架設(shè)計

APRCP海洋-大氣耦合預(yù)報系統(tǒng)采用美國國家環(huán)境預(yù)報中心NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的CFSv2預(yù)報數(shù)據(jù)驅(qū)動，同化的海洋數(shù)據(jù)主要有OSTIA(Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis)衛(wèi)星觀測海表溫度數(shù)據(jù)、AVISO提供的海表面高度數(shù)據(jù)和Argo浮標溫鹽資料等，同化的大氣數(shù)據(jù)主要包括全球通訊系統(tǒng)GTS觀測數(shù)據(jù)集和衛(wèi)星觀測風場資料等。系統(tǒng)2016年啟動運行，2018年開始進行準業(yè)務(wù)化預(yù)報，同化模塊每24 h進行一次觀測資料同化，每天1次給出未來18天的預(yù)報結(jié)果。

本文在APRCP耦合預(yù)報系統(tǒng)的基礎(chǔ)上首先構(gòu)建了東中國海短期預(yù)報的流程，預(yù)報系統(tǒng)采用“后報-預(yù)報循環(huán)計算”設(shè)計(見圖3)：預(yù)報系統(tǒng)在每日預(yù)報之前，對前一日進行“后報”，“后報”使用的海洋和大氣強迫均為當前可獲得的最佳分析場，即APRCP啟動每批次預(yù)報前的同化分析場。預(yù)報計算在前一日“后報”的基礎(chǔ)上熱啟動，對未來7天的海洋動力環(huán)境進行短期預(yù)報?！昂髨?預(yù)報循環(huán)計算”的優(yōu)勢之一是后報和預(yù)報二者相對獨立，后報模擬可以持續(xù)、獨立執(zhí)行并進行數(shù)據(jù)同化，體現(xiàn)了模塊設(shè)計的優(yōu)越性。優(yōu)勢之二是預(yù)報計算總是由當前最優(yōu)初始場啟動，預(yù)報結(jié)果不參與后續(xù)預(yù)報?；谏鲜鲈O(shè)計思路，本文基于Python語言編寫了相關(guān)功能模模塊，包括“氣象與海洋信息預(yù)處理模塊”、“后報-預(yù)報循環(huán)計算”控制模塊等，實現(xiàn)了東中國海水動力短期預(yù)報系統(tǒng)的準業(yè)務(wù)化運行，系統(tǒng)自2019年4月1日啟動運行，運行良好。

圖3 東中國海水動力短期預(yù)報流程

此外，本文同步運行了HYCOM海洋預(yù)報和GFS大氣預(yù)報驅(qū)動的非耦合強迫東中國海短期預(yù)報系統(tǒng)(ECS-HYCOM+GFS)，與基于APRCP海洋-大氣耦合預(yù)報的東中國海短期預(yù)報系統(tǒng)(ECS-APRCP)對比分析，研究析耦合預(yù)報強迫的適用性和模式對外強迫變化的敏感性。由于仍缺乏大量的觀測資料，與ECS-HYCOM+GFS的對比某種程度上可以揭示ECS-APRCP的模擬能力和模式敏感性。

2.2 預(yù)報模擬驗證

本研究重點分析耦合預(yù)報在東中國海短期預(yù)報中的適用性以及模式對耦合強迫和非耦合強迫的敏感性，因此選取 “后報-預(yù)報”循環(huán)計算部分的“后報”進行分析，分析時段為2019年4月1日—2020年6月1日。圖4顯示了模擬時段內(nèi)觀測與模擬SST的相關(guān)系數(shù)的空間分布，二者具有良好的一致性，大部分區(qū)域均高于0.9，僅在黑潮鋒面區(qū)域略低，這可能與模式無法準確模擬該區(qū)域豐富的中尺度和亞中尺度鋒面渦旋有關(guān)。圖5顯示了模擬范圍SST的均方根誤差(RMSE)隨時間的變化，可以看出ECS-APRCP和ECS-HYCOM+GFS系統(tǒng)模擬的SST，中國近海的RMSE處于0.5～1.7 ℃，與國際應(yīng)用較廣的HYCOM同化模式相當。值得注意的是，ECS-APRCP模擬的SST均方根誤差相較于APRCP顯著降低，這主要是因為APRCP海洋模式?jīng)]有考慮潮汐，無法模擬出東中國海廣泛存在的潮汐鋒和相應(yīng)的鋒面溫度變化，導(dǎo)致強潮混合區(qū)的SST模擬偏高，體現(xiàn)了潮汐在東中國海數(shù)值模擬中的重要性。

圖4 2019-04—2020-06期間(a)ECS-APRCP和(b)ECS-HYCOM+GFS模擬溫表溫度(SST)與觀測溫表溫度(OISST)相關(guān)系數(shù)的空間分布

(中斷時段表示系統(tǒng)數(shù)據(jù)缺失。The gap denotes no data available.)

由于衛(wèi)星觀測和數(shù)值模擬的海表面高度采用了不同的參考面，二者通常較難以直接進行對比。圖6給出了模擬時段衛(wèi)星觀測平均絕對動力高度和模式模擬的平均海面高度的對比。需要指出的是，APRCP和HYCOM均沒有考慮潮汐，因此圖6中APRCP和HYCOM模擬結(jié)果均不包括潮汐引起的余水位?？梢钥闯?，ECS-APRCP和ECS-HYCOM模式均能較好的再現(xiàn)海面高度近岸低-外海高的空間特征，觀測中琉球島鏈以東的渦旋引起的海面高度變化也對應(yīng)良好。但二者也存在系統(tǒng)性差異，衛(wèi)星觀測的平均絕對動力高度(見圖6(a))比模式模擬的平均海面高度高約0.5 m(見圖6(b)～(e))，這體現(xiàn)了不同參考面的影響[20]。本文后續(xù)分析的海平面異常(SLA)為觀測或模擬減去其平均海面高度的異常值。

((c、e)中網(wǎng)格區(qū)域外的結(jié)果為所使用的外強迫場。The results outside the model domain shown in(c)and(e)are APRCP and HYCOM, respectively.Data shown in(c, e)outside the model domain is the external forcing.)

3 東中國海數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)對邊界強迫的敏感性研究

黑潮是連接東海與熱帶西太平洋的紐帶，和東海之間存在著豐富的物質(zhì)和能量交換。臺灣東北的黑潮入侵已被大量的觀測和模擬證實[21-23]，在一定程度上決定了東海的動力和生態(tài)環(huán)境。一般認為，黑潮在臺灣東北的向岸入侵冬季強、夏季弱，且具有顯著的季節(jié)和年際變化，受黑潮流量和中尺度渦旋等多重因素的影響[24-25]。目前，模式在中尺度渦模擬方面的能力仍有待加強，不同模式結(jié)果給出的中尺度渦時空特征不盡相同[26]，這可能會影響黑潮入侵的時間和空間變化。

圖7給出了APRCP、ECS-APRCP、HYCOM和ECS-HYCOM模擬的臺灣以東黑潮流量變化。APRCP和HYCOM模擬的該時段黑潮平均流量分別為21.9和27.9 Sv，季節(jié)變化不顯著，但存在非常顯著的季節(jié)內(nèi)震蕩。APRCP和HYCOM模擬的黑潮流量具有相似的變化規(guī)律，但部分時段表現(xiàn)出較大差異，如2019年10—12月期間，HYCOM比APRCP強15～20 Sv，且流幅更寬、流速更大(見圖8)。對SLA的分析顯示，10月下旬至12月上旬期間在黑潮右側(cè)石垣島附近存在一個反氣旋渦，該反氣旋渦在衛(wèi)星觀測和HYCOM模擬中均有所體現(xiàn)，但在APCRP中則沒能準確模擬(見圖8)。一般而言，反氣旋渦會增強黑潮東側(cè)的水位，從而增加黑潮進入東海的流量[27-28]，與本研究中的現(xiàn)象一致。

(斷面位置顯示在圖8(a)中。The section location is shown in Fig.8(a).)

為了討論渦旋和黑潮流量的模擬偏差對跨陸坡向岸入侵的影響，進一步在該區(qū)域進行了粒子示蹤實驗，并統(tǒng)計粒子的分布特征。粒子釋放位置位于臺灣東部斷面(24.9°N，122 °E—123 °E)0～300 m范圍內(nèi)，水平方向每隔0.01°、垂直方向每隔25 m釋放粒子，連續(xù)釋放10 d，并計算50 d，其中上100 m和100～300 m分別代表黑潮表層水和黑潮次表層水[29-30]。定義初始位于表層(<100 m)和次表層(100～300 m)，且曾經(jīng)入侵到200 m以淺陸架區(qū)的粒子分別為Surf200粒子和Sub200粒子。ECS-HYCOM+GFS實驗中Surf200和Sub200粒子的占比為33.4%、29.2%，ECS-APRCP中為28.7%、23.9%，表明黑潮流速增大有利于粒子跨越200 m等深線。定義存留時間Tsurf、Tsub為入侵粒子在200 m以淺陸架區(qū)的平均滯留時間，ECS-HYCOM+GFS中Tsurf與Tsub為3.5和13 d，ECS-APRCP中為3.8和16.5 d，表明次表層水的存留時間更長。圖9 顯示了不同實驗黑潮表層和次表層粒子入侵頻次的空間分布圖，可以看出，對于黑潮表層水入侵，黑潮流量大時(ECS-HYCOM+GFS)入侵主要發(fā)生在臺灣東北陸坡西部，流量小時入侵主要發(fā)生臺灣東北陸坡東部，二者的入侵強度和存留時間相差不大，且都沒有跨過100 m等深線繼續(xù)向岸入侵。與黑潮表層水入侵相比，黑潮次表層水的向岸入侵更強，特別是黑潮流量偏弱時(ECS-APRCP)，次表層向岸入侵的范圍和存留時間都有所增強，黑潮次表層水有顯著的跨越100 m等深線向岸入侵的態(tài)勢。臺灣以東反氣旋渦不僅會增大黑潮流量，還會改變陸坡附近的海水垂向?qū)咏Y(jié)，增加了陸架與深水區(qū)的位勢渦度梯度，增強了跨越陸坡的位勢渦度障礙，使得黑潮入侵減弱[31]，與本文的結(jié)論一致。

多學科研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黑潮入侵東海存在底部分支，并強調(diào)了黑潮次表層水入侵對浙閩陸架和長江口外動力環(huán)境的影響[32]。本文的數(shù)值實驗也表明，黑潮次表層水的入侵范圍強于黑潮表層水，與前人結(jié)果一致。需要強調(diào)的是，海洋模式在渦旋模擬方面的技巧和差異會影響渦旋和黑潮流量的季節(jié)內(nèi)變化特征，進一步影響對黑潮向東海跨陸坡入侵的評估。

4 東中國海數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)對大氣強迫的敏感性研究

耦合預(yù)報系統(tǒng)在臺風預(yù)報中有一定的優(yōu)越性[33]，但由于同化方案和運行方式的不同，與獨立的大氣預(yù)報模式相比仍存在一定差異。本文以極端天氣事件臺風為例，分析了耦合預(yù)報大氣強迫的模擬偏差和可能影響。選取2019年1909號臺風“利奇馬”(Lekima)與1913號臺風“玲玲”(Lingling)為例進行分析。臺風軌跡來自日本氣象廳(JMA：Japan Meteoro-logical Agency)的臺風最佳路徑資料，該數(shù)據(jù)還包括中心氣壓信息。“利奇馬”和“玲玲”分別于2019年8月8—9日和9月5—6日影響中國東海，是本文重點分析的時段。

圖10顯示了APRCP和GFS模擬的“利奇馬”和“玲玲”的軌跡和強度?？梢钥闯?，GFS模擬的臺風軌跡與觀測更為一致，而APRCP的預(yù)報路徑與觀測間存在約1°的偏差。此外，GFS模擬的臺風強度更強，影響范圍更大，最大風速與JMA給出的臺風最大風速也更為接近。臺風不僅可以影響上層海洋的動力環(huán)境，還可以對局地的生物地球化學循環(huán)產(chǎn)生影響，甚至影響海洋的碳源匯格局。臺風的模擬偏差可能會對動力生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。

(風場顯示時間分別為(a、b)2019-08-09 8:00 CST，(c，d)2019-09-06 8:00 CST。Superimposed are the wind field at a selected time of(a, b)2019-08-09 8:00 CST, and(c,d)2019-09-06 8:00 CST.)

海洋對臺風最直觀的響應(yīng)是SST的變化，圖11顯示了受臺風“利奇馬”和“玲玲”影響，SST的空間分布?？梢钥闯觯芘_風影響，SST表現(xiàn)出不同程度的下降，在臺風經(jīng)過后出現(xiàn)最大降溫的冷尾跡，最大溫降出現(xiàn)在臺風路徑右側(cè)(見圖11(a)、11(e))。ECS-HYCOM+GFS和ECS-APRCP均可以再現(xiàn)SST的冷尾跡，但強度略大于觀測，這可能是由于OISST的時空平滑減弱了SST的空間差異[34]。此外，由于GFS預(yù)報的臺風強度顯著大于APRCP，對應(yīng)的SST冷尾跡也更顯著。

((a、b、c、d)為臺風“利奇馬”，(e、f、g、h)為臺風“玲玲”，(a、e)為 OISST，(b、f)為 ECS-GFS 預(yù)報，(c、g)為ECS-APRCP 預(yù)報，(d、h)為ECS-APRCP增強實驗。其中(a、e)SST為日均值，其余為選定時刻的CST(北京時間)。Distribution of the(a, e)observed OISST and simulated SST by(b, f)ECS-GFS,(c, g)ECS-APRCP and(d, h)ECS-APRCP strengthened experiment for(a, b, c, d)typhoon Lekima and(e, f, g, h)typhoon Lingling.The SST shown in(a, e)are the daily mean while others are selected snapshots(CST).)

為了解析臺風強度模擬偏差對海洋動力環(huán)境的影響，本文根據(jù)GFS和APRCP的風場模擬差異調(diào)整了APRCP的風場強度，通過分析以臺風中心為圓心的臺風合成場的差異，得出二者的偏差，并將該偏差應(yīng)用于修正APRCP的風場強度，而不改變其路徑和其它海氣界面參數(shù)，即在保持APRCP臺風軌跡不變的情況下，將臺風強度增大到與GFS相當，研究海洋的響應(yīng)特征。圖11(d)、11(h)顯示了APRCP風場強度增強實驗?zāi)M的SST的空間分布。可以看出，SST的反饋較GFS和APRCP強迫實驗均更為顯著。這表明簡單增大風場強度可能會高估臺風對海洋的影響。

對溫度變化方程中各診斷量的分析表明，增大風場不僅會改變海洋的對流和混合，還會影響海氣界面的海-氣耦合過程，進一步影響海洋的反饋。圖12對比了GFS、APRCP和APRCP風場增強實驗中任一時刻的海表凈熱通量。可以看出，APRCP耦合模式大氣強迫和GFS非耦合大氣強迫海表熱通量存在較大差異，這主要是不同模式的臺風模擬偏差引起的，但總體表現(xiàn)出臺風過境時大氣從海洋獲取熱量，臺風過境后冷尾跡區(qū)大氣向海洋輸送熱量的特征。增大APRCP風場強度與GFS相當后，二者的海氣界面凈熱通量仍表現(xiàn)出較大差異(見圖12(a)(c)，12(d)(f))，這主要是由于海氣界面的其它狀態(tài)參數(shù)如氣溫、濕度、氣壓等并未同步變化。APRCP風場增強會導(dǎo)致海氣界面熱通量交換增強(見圖12(b)(c)、12(e)(f))，臺風過境時，其最大風速半徑附近海表熱通量呈負值，主要由潛熱通量增強[35]引起的海洋向大氣釋放熱量，引起了海洋的異常強降溫。臺風過境后，冷尾跡區(qū)由于SST異常偏低，感熱通量增大，大氣向海洋輸送熱量增強(見圖11(c)(f))，SST在臺風過境后逐漸恢復(fù)。

((a，d)為ECS-GFS預(yù)報，(b，e)為ECS-APRCP預(yù)報，(c，f)為ECS-APRCP增強實驗，時間為2019-08-09 8:00 CST(利奇馬)和2019-09-06 8:00 CST(玲玲)。(a, d)ECS-HYCOM+GFS,(b, e)ECS-APRCP and(c, f)ECS-APRCP strengthened experiment for(a, b, c)typhoon Lekima at 2019-08-09 8:00 CST and(d, e, f)typhoon Lingling at 2019-09-06 8:00 CST.)

5 結(jié)論

本文基于中國近海高分辨率ROMS海洋模式和“兩洋一?！焙Ｑ?大氣耦合預(yù)報系統(tǒng)(APRCP)，設(shè)計了降尺度嵌套的預(yù)報流程和框架，建立了東中國海水動力短期預(yù)報系統(tǒng)，并結(jié)合預(yù)報系統(tǒng)模擬結(jié)果和數(shù)值實驗，討論了東中國海短期預(yù)報系統(tǒng)對海洋-大氣耦合預(yù)報強迫和非耦合強迫的敏感性和可能機制，主要得到如下結(jié)論：

(1)降尺度東中國海水動力短期預(yù)報系統(tǒng)具有較好的模擬技巧，可以基本再現(xiàn)東中國海的海表面溫度和動力高度變化，“后報-預(yù)報循環(huán)計算”設(shè)計可以充分利用大尺度模式的分析結(jié)果。

(2)“兩洋一海”海洋-大氣耦合預(yù)報系統(tǒng)與HYCOM模擬的黑潮流量基本一致，不同時段的模擬差異主要反映了中尺度渦的影響。不同模式對中尺度渦的模擬技巧差異會影響黑潮流量變化，并進一步影響東中國海水動力環(huán)境的模擬和預(yù)報。臺灣以東的反氣旋式渦旋會導(dǎo)致黑潮流量增大，臺灣東北處黑潮表層水的向岸入侵變化不大，黑潮次表層水跨陸坡向岸入侵的范圍和存留時間都減弱，進一步影響局地和東海的動力和生態(tài)環(huán)境。

(3)“兩洋一海”海洋-大氣耦合預(yù)報模式模擬的臺風強度與GFS相比偏弱，這會導(dǎo)致臺風期間海洋的響應(yīng)偏弱。簡單增大風場會改變海洋的對流和混合，但會高估海洋對臺風的響應(yīng)，這主要是因為海氣界面其它狀態(tài)變量未能同步變化所致。修正偏弱的臺風模擬風場是海洋數(shù)值模擬中的慣用做法，本研究顯示該做法會高估海洋的響應(yīng)，是需要關(guān)注的問題。

本文構(gòu)建了東中國海水動力環(huán)境的降尺度預(yù)報框架，預(yù)報技巧既依賴于東中國海高分辨率海洋模式，也依賴于大氣和海洋強迫的模擬技巧。相較于前人研究，本研究采用的非等距曲線網(wǎng)格可以提升重點區(qū)域預(yù)報的精細化程度，提升預(yù)報效率；潮汐-環(huán)流耦合模擬，模式的模擬性能(如SST)顯著提高；“后報-預(yù)報循環(huán)計算”的設(shè)計思路可以更為合理的避免誤差累積；APRCP海洋-大氣耦合預(yù)報系統(tǒng)自主可控，具有良好發(fā)展前景。雖然目前APRCP海洋-大氣耦合預(yù)報系統(tǒng)的性能部分方面仍弱于HYCOM，但是，APRCP耦合預(yù)報系統(tǒng)和東中國海短期預(yù)報系統(tǒng)都在不斷優(yōu)化各自的同化方案，并在發(fā)展更高分辨率的模擬預(yù)報系統(tǒng)，模擬技巧和預(yù)報水平未來都將顯著提高。