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我所科研人员在全球高分辨率耦合海洋模式发展方面取得新突破

时间:2023.03.29 来源:物理海洋室 字号

水平分辨率和物理过程表达的精确性是决定全球海洋模式模拟结果真实性的两个最重要的因素。按照我所数值模式“运行一代、研制一代、策划一代”的总体思路,物理海洋室肖斌工程师与团队成员密切协作,突破系列关键技术瓶颈,将我所全球高分辨率海洋模式水平分辨率由1/10°提升至1/32°,并实现了全球海浪-潮流-环流耦合。新的模式命名为全球1/32°海浪-潮流-环流耦合海洋模式(FIO-COM32)。这为下一代业务化预报系统建设打下了坚实的基础。论文2023年3月28日发表于国际高端期刊《Geoscientific Model Development》(https://doi.org/10.5194/gmd-16-1755-2023),乔方利研究员为通讯编辑。

首先,随着分辨率由1/10°提升至1/32°,模式的计算量和内存开销将分别增加约32倍和10倍,对模式研发与运行提出了巨大的技术挑战。该课题组通过设计四级并行框架,突破了高效并行计算技术瓶颈;通过IO二次剖分和多进程归集,突破了IO技术瓶颈。

模式分辨率的提升对地形岸线的解析、涡旋现象的模拟等都有本质性改进。新的高分辨率模式能够模拟更丰富的海洋涡旋现象,显著改进了模式对涡动能的模拟能力,尤其在黑潮和湾流等西边界强流区域,所模拟的强流路径与形态均有较大提升,涡动能的均方根误差随之大幅降低。


图 1 卫星观测(a)、1/10°(b)和1/32°(c) 模式的涡动能分布,涡动能均方根误差由1/10°模式的63.5 cm2s?2 降为1/32°模式的31.7 cm2s?2 ,降幅超过50%。

其次,即使分辨率提升至全球1/32°,夏季上层海洋混合不足的问题依然存在,图2显示模式与Argo观测的夏季混合层深度存在显著的偏浅问题,这是国内外海洋环流模式的共性问题。基于本研究组原创的浪致混合理论,将浪致混合方案Bv引入到新模式,显著改进了夏季混合层深度模拟,首次实现了高分辨率海浪-潮流-环流的耦合。


图 2 基于Argo观测数据(a)和无浪实验(b)和有浪实验 (c)模拟的夏季(北半球和南半球分别为1、2、3月份和7、8、9月份)混合层深度。无浪实验与Argo的差异、有浪实验与无浪实验的差异以及纬向平均混合层深度分别示于(d)、(e)和(f)。

 以往国内外超高分辨率海洋模式与卫星观测的海面高度数据对比显示,两者的中尺度波数谱斜率存在明显差异,这是一个困扰了物理海洋学领域多年的科学难题。基于建立的新型模式,该课题组首次在全球尺度科学阐释了该差异是由于海洋环流模式中未引入潮流而引起的。通过引入天体引潮力实现潮流-环流耦合,全球模式中激发的内潮和惯性重力波所致的海面起伏显著改进了模式的中尺度波数谱斜率。在乔方利研究员带领下,经过几十年的不断探索,该研究组打破了国内外海浪、潮流、环流分治的传动动力学框架,在国际上首次提出海浪、潮流、环流等多运动形态耦合建模的学术思想。该论文清晰表明,耦合建模是未来海洋模式发展的正确道路。

在联合国“海洋十年”框架下,乔方利联合欧美等25个国家34家海洋研究机构和3个国际组织,于2022年发起了“海洋与气候无缝预测(OSF)”大科学计划。该论文的发表标志着OSF又迈上了一个新台阶。

图 3 Jason-3沿轨数据(a)、无潮实验(b)和有潮实验(c) 70-250 km的SSH波数谱斜率。黑潮区(d)、热带太平洋区(e)和南大洋区(f)三个站点的SSH波数谱,黑线表示70公里和250公里的波数。2018年12月1日,无潮实验 (g)和有潮实验 (h)在(a)矩形区域内一个时刻的SSH分布。


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