现有海洋数值模型介绍

海洋环流模型采用数值方法直接求解N-S方程，是研究海洋环流多时空尺度动力变化及其在气候变化中的作用的重要手段。经过几十年的发展，可将海洋环流模式分为全球模式和区域模式。全球模式有MITgcm、HYCOM、MOM、OFES、LICOM和NEMO等。区域模式有ROMS、FVCOM、POM、ADCIRC等。这些全球模式可用于区域物理过程的研究，部分区域模式可用于全球海洋环流的研究。

海

洋

模

型

MITgcm

        MITgcm（MIT Genel Circulation Model）是由麻省理工学院（MIT）设计用于模拟海洋和大气的数值模式，和其他数值模式相比MITgcm具有显著的优点：基于相同的动力学框架，它既可以用来模拟大气也可以用来模拟海洋中各种不同尺度的现象。模式采用了Boussinesq近似和水平静力近似，而且耦合了一个Viscos-Plastic流变学的海冰模块。该模式采用的是立方体网格可以很好的避免极点奇异性问题和使得模拟区域内的网格有均匀的间距。模式提供有限体积法和在不规则地形处应用较为广泛的正交曲线坐标系和三角网格，因此，该模式能够适用于各种地形。除此之外，模式提供成熟的并行运算方案，能够广泛应用于各种计算平台。

HYCOM

         HYCOM再分析产品是美国海军研究实验室利用海军耦合海洋资料同化系统(Navy Coupled Ocean Data Assimilation, NCODA)将HYCOM模式和多源观测数据结合的产物。该产品采用多变量最优插值(Multivariate Optimal Interpolation, MVOI)同化方法同化了卫星高度计反演的SLA、卫星遥感SST、Argo 浮标和锚系浮标观测的温度和盐度的垂直剖面资料。公布的再分析产品时间跨度为1992—2012年,时间分辨率为1天,纬度范围是80.48°S ~80.48°N,空间水平分辨率为1/12°,垂直方向为不等距的40层。可提供免费下载的产品包含5个变量:温度、盐度、纬向海流速度、经向海流速度和海表面高度。由于在垂直坐标选择上的优势,HYCOM无论是模拟全球海洋或区域海洋、层结海洋或非层结海洋、大洋内区或近岸区域都有较好表现,其在近表层和海岸附近浅水区域有更高的垂向分辨率,能够很好地表达上层海洋的物理特性。

MOM

        美国海洋大气管理局地球物理流体力学实验室(GFDL)研发的模块化海洋模式MOM是自由表面原始方程海洋模式,采用非Boussinesq近似和静力近似,垂直坐标是z坐标,变量空间配置采用Arakawa B网格。MOM采用水平正交坐标,有三个极点,在北极有两个极点,一个在西伯利亚,另一个在北美大陆。MOM的单一z坐标使其具有一定局限性,但也具有其他优点。MOM采用非Boussinesq近似,模式动能方程、动量方程和物理方案基于质量守恒框架,考虑海洋热容量变化(steric effect)对海洋高度的影响,因此对海面高度的预报优于采用Boussinesq近似(体积守恒)的海洋模式。此外,MOM4还考虑月球引潮力对海面高度的影响。MOM的垂直混合参数化方案有KPP、Richardson数决定的涡动混合系数法等。

        MOM主要用于海洋气候系统研究和海洋预报。MOM4是海气耦合气候模式GFDL_CM2的海洋模式,MOM3在美国国家环境预报中心用于预测厄尔尼诺。澳大利亚的BLUElink﹥全球海洋预报系统[32]基于MOM4p1模式建立,水平分辨率是1°,在澳洲附近海域水平分辨率是1/10°,垂直坐标是z坐标,共47层,海洋近表层垂直分辨率达5 m,每4天做一次7天预报。国家海洋局海洋环境预报中心基于MOM4建立了全球和热带太平洋海洋预报系统。

OFES

        OFES模式是由日本海洋地球科学技术中心(JAMSTEC, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology)提供, 该模式是基于GFDL/NOAA(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory/ National Oceanic and Atmospheric Administration)的MOM3(modular ocean model)模式, 并改进为并行算法, 计算区域为75°S—75°N的全球海域(除北冰洋以外)。

LICOM

        LICOM海洋环流模式是由中国科学院（CAS）大气物理研究所（IAP）大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）海洋模式团队自主研发的全球海洋环流模式。基于原始方程、连续性方程、海水状态方程和温盐守恒方程，在给定的初值和边值条件下，利用有限差分方法数值进行求解。LICOM经过30多年的不断研发，目前已发展到LICOM3.0版本，模式包含多套分辨率、参数化方案，最高分辨率达到全球3-5km。

        在观测的强迫下，独立的海洋环流模式可以再现过去百年大尺度海洋风生环流和热盐环流以及海洋的中尺度过程变化，也可以作为海洋分模式构建气候系统模式和地球系统模式，模拟过去地质时期、现在气候变化，预估未来10-30年甚至未来百年气候变化。同时，模式可以应用于短期（天气）、延伸期和季节尺度的海洋业务预报，预测短期到季节尺度的海洋变化。

        LICOM3.0海洋模式参加了国际海洋模式比较计划（OMIP）两个阶段的模拟对比工作，取得了较好的模拟结果，全球涡分辨率海洋环流模式LICOM3.0整体模拟性能达到国际同等分辨率模式水平（Lin et al., 2020, Li et al., 2020, Tsujino et al., 2020, Chassignet et al., 2020），以LICOM为海洋分量的地球系统模式（CAS-ESM）和气候系统模式（CAS-FGOALS）广泛地参与了国际耦合模式比较计划CMIP6的模拟试验。

NEMO

        NEMO是一个原始方程海洋环境模式, 采用Boussinesq和静力近似, 正交曲线坐标, Arkawa-C网络, 垂直坐标采用z坐标或者S坐标。成熟先进的物理参数化方案和数值计算算法使得NEMO具有支持高分辨率、优良的负载均衡设计、并行IO技术和单双向多层嵌套等特点, 因而成为国际上用于海洋学研究、海洋季节性预测和气候研究的最新模型框架。NEMO输出的预报产品几乎包含当前海洋预报业务中的所有产品, 为NEMO在海洋环境预报中的业务化奠定了应用基础。

        NEMO包括OPA(Oc´ean PArall´elis´e) 、TAM(Tangent linear and adjoint models) 、LIM(laneuve Ice Model) 和TOP(Tracer in the Ocean Paradigm) 等模块, 由法国、英国和意大利共同研发, 被广泛应用于27个国家的270项相关科研计划中, 是目前世界各国海洋业务化预报系统的主力军, 如法国的Mercator、英国的FOAM、意大利的MFS和加拿大的CONCEPTS等。目前, NEMO模式已经在部分国家的海洋预报部门实现了业务化应用, 其中以法国Mercator和英国FOAM最为突出。在分辨率上, Mercator和FOAM均实现了1/4°和1/12°两个分辨率的预报系统版本, 其中1/4°版本为高分辨率区域海洋模式提供边界条件, 1/12°版本可以预报诊断海洋涡旋。

ROMS

        ROMS是自由表面、原始方程海洋模式,采用Bousinesq近似和静力近似。水平方向使用正交曲线坐标,变量空间配置采用Arakawa C网格,垂直坐标采用S坐标(Stretched Terrain-following Coordinates)。S坐标是一种地形追随坐标,可以在重点关注海域增加分辨率,比如海洋温跃层和海底边界层附近,能够较好地模拟海洋边界层(上边界层和底边界层)和边界层流。ROMS垂直混合参数化方案采用的局地闭合方案有MY-2.5、TKE和GLS混合参数化方案,非局地闭合方案有KPP方案。ROMS可以进行四维变分和集合预报。ROMS模式系统的动力框架包括四个模式:非线性模式(NLM)、切线性模式(TLM)、代表切线性模式(RPM)和伴随模式(ADM),这四个模式可以单独运行,也可以共同运行。ROMS包含准确高效的物理方案和数值计算方案算子,可以与生物地球化学、生物光学、沉积和海冰等模块耦合在一起。

        ROMS主要应用于海洋近岸和河口海洋环境预报。美国海军使用ROMS模式,以菲律宾群岛为中心建立了区域海洋预报系统(100°—140°E,18°S—25°N)。迈阿密大学、NOAA和美国海军等部门使用ROMS模式在墨西哥湾和加勒比海域建立了区域海洋预报系统。印度基于ROMS、MOM、HYCOM、Wave Watch III和WAM等海洋模式建立了印度的海洋预报系统(INDOFOS),可以提供全球、印度洋、局地海域、沿岸和定点的海浪、表层流、海表面温度、混合层深度和温跃层深度预报。

FVCOM

        海洋数值模型FVCOM（Finite Volume Coast and Ocean Model），是由以陈长胜教授领导的马萨诸塞大学海洋生态系统实验室和伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）合作开发的自由表面、有限体积法、非结构网格、三维原始方程的海洋模式。FVCOM 模式在垂向上采用广义地形跟随坐标系对不规则底部地形进行拟和，在水平上则采用非结构化三角网格，能够较好拟合复杂的岸线，这种三角化网格的空间离散法还能够更为灵活的提高特定区域的分辨率。在横向计算上，使用的是 Smagorinsky 湍流闭合模型，而垂向混合使用 Mellor-Yamada  2.5 阶湍流闭合模型。采用内外模分裂算法，节约了计算效率。FVCOM  采用干湿网格法，能很好的模拟运动边界的，在模式中能够较好的体现了海湾、滩涂等浅水区域对于水动力环境的影响。

POM

        POM是一个自由表面、三维斜压原始方程海洋模式,采用静力近似和Boussinesq近似,包含完整的热力学过程。垂直坐标是单一的σ坐标(即地形跟随坐标),水平坐标是正交曲线坐标,变量空间配置使用Arakawa C网格。垂向混合系数由MY-2.5湍流闭合模型确定。水平时间差分采用显式格式;垂直时间差分采用隐式格式,垂向不受CFL条件限制,可以在海洋表层和底层提高分辨率。σ坐标适用于地形变化显著的海域,如河口和陆架斜坡等。湍流闭合模型与σ坐标的完美结合,能够使POM模式比较理想地模拟出海洋底边界层,这对研究海岸和河口动力过程、海洋底层水形成过程、海盆斜压性等具有重要意义。

        POM模式可以模拟海洋中的多尺度现象,比如河流、河口、海洋大陆架和斜坡、湖泊、半封闭海域、外海的海洋环流和海洋混合过程。POM模式被广泛地应用于海洋近岸、河口的海洋业务化预报(温、盐、流、水位)和研究中,应用海域包括西北大西洋、西北太平洋、美国东海岸、墨西哥湾和哈得逊湾、北冰洋、地中海、中国近海等。国家海洋局海洋环境预报中心和第一海洋研究所基于POM模式建立了全球和区域海洋预报系统。

ADCIRC

        ADCIRC模型(An Advanced Circulation Model For Oceanic，Coastal and Estuarine Waters)是由北卡罗来纳大学海洋科学研究所的Luettich教授和美国圣母大学的Westerink教授联合研制的，可应用于海洋、海岸、河口跨尺度区域的水动力计算的数学模型，用于解决二维和三维的随时间变化的自由地表环流和运输问题。目前应用领域包括：模拟潮汐和风驱动的循环;预测风暴潮和洪水;近岸海上作业。

        另外ADCIRC+SWAN耦合模型也是目前沿海风暴潮，热带气旋诱发的沿海洪水模拟最先进和广泛使用的模型。模拟风暴潮时，一般采用二维的基于浅水方程的形式，其中包括连续性方程和水平动量方程。连续性方程的公式依赖于广义波连续性方程或GWCE，它有助于处理由原始Galerkin有限元公式引起的寄生振荡。

沐室

musihhh