平潭海域精細化三維溫鹽流業(yè)務(wù)化數(shù)值預報系統(tǒng)

曾銀東

（1.福建省海洋預報臺，福建福州350003；2.中國海洋大學海洋與大氣學院，山東青島266071）

平潭海域精細化三維溫鹽流業(yè)務(wù)化數(shù)值預報系統(tǒng)

曾銀東1,2

（1.福建省海洋預報臺，福建福州350003；2.中國海洋大學海洋與大氣學院，山東青島266071）

根據(jù)平潭附近海域?qū)嶋H需求和地理區(qū)位特點，研發(fā)了三維溫、鹽、流高分辨率業(yè)務(wù)化數(shù)值預報系統(tǒng)，對該系統(tǒng)采用的模式、配置、預報結(jié)果驗證和業(yè)務(wù)化運行等情況進行了詳細介紹。該系統(tǒng)基于ROMS海流模式，采用正交曲線網(wǎng)格和網(wǎng)格嵌套技術(shù)；建立了包含數(shù)據(jù)預處理、溫鹽流預報和預報產(chǎn)品后處理等子程序的業(yè)務(wù)化數(shù)值預報系統(tǒng)。結(jié)果表明：模式預報產(chǎn)品具有較高精度，整個業(yè)務(wù)流程運行在30 min之內(nèi)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到業(yè)務(wù)化預報的要求。

平潭海域；精細化；海流模式；業(yè)務(wù)化；數(shù)值預報系統(tǒng)

1 引言

近年來，隨著沿海各國大力發(fā)展海洋經(jīng)濟，如何保障海上活動的公共安全成為關(guān)注焦點，其中海上落水人員搜救、海上溢油的保障預報技術(shù)成為維護國家海洋權(quán)益、保障海上公共安全的研究重點。為此，各國都在積極發(fā)展全球海洋預報系統(tǒng)、區(qū)域嵌套高分辨率海洋預報系統(tǒng)，以及針對海灣和河口等多重嵌套精細化海洋預報系統(tǒng)。例如，法國基于NEMO（Nucleus for European Models of the Ocean）模式建立了Mercator海洋預報系統(tǒng)[1]；意大利同樣基于NEMO模式建立了“地中海海上安全決策支持系統(tǒng)”（Mediterranean Decision Support System for Marine Safety，MEDESS4MS）[2]；美國建立了HYCOM（Hybrid Coordinate Ocean Mode）/NCODA（Navy Coupled Ocean Data Assimilation）系統(tǒng)和GRTOFS（Global Real-Time Ocean Forecast System）系統(tǒng)[3-5]；國家海洋環(huán)境預報中心基于ROMS（Regional Ocean Modeling System）模式建立了全球業(yè)務(wù)化海洋學預報系統(tǒng)和中國海三維溫鹽流數(shù)值預報系統(tǒng)[4-5]；國家海洋局北海預報中心基于ROMS模式建立了黃渤海近岸精細化三維海溫、鹽度、海流（以下簡稱溫、鹽、流）業(yè)務(wù)化數(shù)值預報系統(tǒng)[6]。業(yè)務(wù)化海洋預報系統(tǒng)可以提供相對可靠的海洋環(huán)境預報產(chǎn)品，在海洋工程建設(shè)、海上交通運輸、海洋權(quán)益維護、海上搜救和應(yīng)急處置等方面發(fā)揮了重要作用。

平潭位于福建東部，其近岸海域島嶼眾多，海底地形復雜，海況和水文氣象條件復雜多變，是臺灣海峽重要的水動力研究區(qū)域[7-9]。夏季受西南季風影響，該海域存在明顯上升流，而冬季由長江、閩江和九龍江等入海徑流與沿岸海水混合形成的富含營養(yǎng)鹽、低溫、低鹽的浙閩沿岸流到達平潭[10]，對臺灣海峽的環(huán)流結(jié)構(gòu)、水團組成、海洋生產(chǎn)力、沿岸物質(zhì)輸運等產(chǎn)生重要的影響。平潭近岸海域也因此成為船舶交通事故和溢油事故多發(fā)區(qū)，海上船只航行、停泊、漁業(yè)生產(chǎn)和海上作業(yè)安全事故時有發(fā)生。例如，2010年9月30日凌晨，天津籍貨船“惠盈168”輪在平潭島附近海域沉沒，船上15名船員落水，當晚已有3人死亡、3人獲救，另外9人失蹤。目前，針對臺灣海峽及其周邊海域已建立了業(yè)務(wù)化三維溫鹽流數(shù)值預報系統(tǒng)和海上突發(fā)事故輔助決策系統(tǒng)[11]，但該系統(tǒng)在平潭近岸海域空間分辨率較低，無法為該海域提供精細化的三維溫、鹽、流數(shù)值預報產(chǎn)品和服務(wù)。因此，本研究將利用當前該海域高精度的水深地形資料和大量的海洋觀測數(shù)據(jù)，基于國際先進的ROMS海洋環(huán)流模式，采用正交曲線網(wǎng)格和網(wǎng)格嵌套技術(shù)，發(fā)展平潭海域精細化三維溫、鹽、流數(shù)值預報系統(tǒng)，并對模式進行驗證和業(yè)務(wù)化試運行，最終實現(xiàn)該系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化運行，為該海域海上活動公共安全提供精細化溫、鹽、流數(shù)值預報產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)模式介紹與配置

2.1 ROMS模式介紹

ROMS是一個自由表面、靜水力學和三維非線性斜壓原始方程模式，由羅格斯大學和加利福尼亞大學洛杉磯分校共同開發(fā)完成[12-13]，該模式可以模擬多種尺度的海洋環(huán)流運動，如全球尺度的環(huán)流模擬、中尺度由氣象因素或是天文潮所引起的水位與流場變化，也可以計算小尺度河流渠道等流體運動。模式垂直方向采用S坐標系，垂向分層隨著地形變化；水平方向采用正交曲線坐標系及Arakawa C差分網(wǎng)格；為提高計算效率，采用了模態(tài)分離法，將帶自由表面的三維流動問題分成表面波的傳播問題（外模態(tài)）和內(nèi)波的傳播問題（內(nèi)模態(tài)），對外模態(tài)采用顯式差分；計算垂向渦動黏性系數(shù)和紊動擴散系數(shù)由2.5階紊流模式[14]確定。

2.2 模式配置

2.2.1 模式區(qū)域、網(wǎng)格和水深地形

本模式采用曲線正交網(wǎng)格和雙重嵌套方法，大網(wǎng)格區(qū)域范圍為95°～147.9°E，9°S～44.01°N，小網(wǎng)格區(qū)域為平潭近岸海域（見圖1）。大網(wǎng)格開邊界網(wǎng)格距約為45 km，逐漸過渡到臺灣海峽為1.5 km。整個模式區(qū)域的水深地形數(shù)據(jù)采用多種數(shù)據(jù)融合后的數(shù)據(jù)：外海區(qū)域水深地形資料采用ETOPO2；近海區(qū)域水深地形數(shù)據(jù)采用數(shù)字化的沿岸海圖水深（共26張）和臺灣海峽地形數(shù)據(jù)（0.5′網(wǎng)格化水深）；福清灣海域采用高精度的1∶1000水深。經(jīng)融合和插值到數(shù)值模式所需要的網(wǎng)格化水深和岸線如圖1所示。大、小網(wǎng)格垂向均取30層，采用S坐標進行垂向分層，在海表分層較密，以反映海表混合層及溫、鹽躍層的復雜垂直結(jié)構(gòu)。小網(wǎng)格在大網(wǎng)格中以1∶7加密，平潭海域達到200 m的水平分辨率（見圖1）。對于平潭小區(qū)域，本模式通過定義臨界水深（取0.2 m）進行干濕邊界的轉(zhuǎn)換，以準確體現(xiàn)該區(qū)域的納潮量。

圖1 模式計算網(wǎng)格區(qū)域范圍、水深地形和觀測站點圖

2.2.2 模式上表面和開邊界條件

模式在大小網(wǎng)格的海表都考慮了海表熱通量，并在模式中考慮了河流淡水流入。模式上邊界采用福建省海洋預報臺業(yè)務(wù)化運行的西北太平洋的WRF大氣模式風場和熱通量場等作為大氣強迫場。模式所需的河流流量數(shù)據(jù)采用《中國海灣志》的主要河流各月及多年平均流量（見表1）。

模式開邊界控制參數(shù)含溫、鹽、流及水位，其中水位含與大洋環(huán)流相關(guān)的大洋表面高度及潮汐所引起的海表起伏。模式的開邊界采用MyOcean的業(yè)務(wù)化產(chǎn)品，包括海表高度、海溫、鹽度和海流。MyOcean業(yè)務(wù)化產(chǎn)品由ECMWF（European Centre for Medium-range Weather Forecasts）研發(fā)海洋信息服務(wù)支持系統(tǒng)提供，MyOcean是基于觀測數(shù)據(jù)、數(shù)值模型與數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)建立的全球海洋實時觀測和預報系統(tǒng)，可以提供全球范圍海洋觀測和預報產(chǎn)品服務(wù)。開邊界的潮汐調(diào)和常數(shù)采用日本NAOTIDE（National Astronomical Observatory（Japan）Tide Prediction Model）模式提供的天文潮調(diào)和常數(shù)，包含M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2、Q1、M1、J1、OO1、2N2、Mu2、Nu2、L2和T2 16個主要天文分潮。

模式上表層熱通量控制邊界條件：

式中：為海表熱及降水凈通量，數(shù)值取自采用福建省海洋預報臺業(yè)務(wù)化運行的西北太平洋的WRF大氣模式產(chǎn)品獲取。

表1 中國主要河流多年平均徑流量的數(shù)據(jù)（單位：104m3/s）

3 模式驗證

3.1 實測數(shù)據(jù)來源

海洋觀測資料來自福建省海洋預報臺布放在平潭牛山島海域的海床基和平潭近海的浮標（位置見圖1），分別代表平潭沿岸海域和平潭近海。海床基布放于海底水深約50 m，從海底向海表觀測共25層剖面流；浮標觀測表層海溫和海表至水下約50 m深處剖面流，每5 m一層，共10層。

3.2 驗證與討論

圖2和圖3為模式24 h、48 h和72 h預報海流分別與海床基、浮標觀測海流的對比情況。由圖可見，模式預報流速、流向與觀測值吻合較好。模式預報值和觀測值均反映了夏季7月份盛行西南風的情況下，在潮汐及環(huán)流的共同作用下，流場以往復流為主，一天之內(nèi)有4個峰值出現(xiàn)，南向流速大于北向流速。表、中、底層的預報流速與觀測值比較表明，流速較為一致，表層流速大，中、底層流速較小，表、中、底層流向基本一致。在2014年7月23—25日之間出現(xiàn)強的連續(xù)南向流是由于“麥德姆”臺風過程引起，模式預報和觀測值誤差高于其它時間段，但兩者總體表現(xiàn)比較一致，能夠反應(yīng)臺風的影響過程。

圖2 牛山島模式不同時間預報海流與海床基觀測海流對比

圖2 （續(xù)）

圖3為模式24 h、48 h和72 h預報海溫與浮標觀測海溫的對比情況。從圖上看，模式預報海溫與浮標實測海溫變化趨勢比較一致。23—25日浮標觀測海溫出現(xiàn)急劇下降，形成“V”字形狀，主要是受1410號臺風“麥德姆”正面影響，臺風影響過后海溫迅速回升，臺風的抽吸作用是導致海溫下降的主要原因[15]。

為了進一步檢驗模式預報的準確性，本文選用了比較常見的檢驗統(tǒng)計參數(shù)絕對平均誤差（MAE）和均方根誤差（RMSE）等統(tǒng)計方法。

（1）絕對平均誤差：

（2）均方根誤差

對模式預報結(jié)果分別與海床基和浮標實測數(shù)據(jù)進行誤差統(tǒng)計，得到表2、表3和表4。總體而言，模式預報結(jié)果與實測結(jié)果比較一致，模式在平潭近海預報結(jié)果優(yōu)于沿岸海域。

圖3 3號浮標模式不同時間預報海流與浮標實測海流對比

圖3 （續(xù)）

圖4 模式24 h、48 h和72 h預報海溫與浮標觀測海溫的對比

表2 模式預報流速（單位：m/s）和流向（單位：°）結(jié)果與海床基觀測數(shù)據(jù)的誤差統(tǒng)計

表3 模式預報流速（單位：m/s）和流向（單位：°）結(jié)果與3號浮標觀測數(shù)據(jù)的誤差統(tǒng)計

表2結(jié)果顯示，模式預報流速絕對平均誤差小于0.15 m/s，表層最大，底層最小，預報時效延長誤差差異不大；預報流向絕對平均誤差小于35.4°，隨著預報時效延長誤差略有升高，表層最大，底層最??；預報流速均方根誤差小于0.20 m/s，表層最大，底層最小，隨著預報時效延長誤差略有下降；預報流向均方根誤差小于43.4°，表層最大，底層最小，隨著預報時效延長誤差呈下降趨勢。

表3結(jié)果顯示，模式預報流速絕對平均誤差都小于0.11 m/s，表層最大，底層最小，預報時效延長誤差沒有顯著差異；預報流向絕對平均誤差小于27.6°，表層最大，底層最小，預報時效延長誤差略有增大；預報流速均方根誤差小于0.15 m/s，表層最大，底層最小，隨著預報時效的延長誤差下降；預報流向均方根誤差小于28.2°，表層最大，底層最小，隨著預報時效的延長誤差略有增大。

表4結(jié)果顯示，模式預報24 h、48 h和72 h表層海溫與相應(yīng)的實測海溫絕對平均誤差約1℃左右，隨著預報時效延長誤差略有增大；模式預報表層海溫與實測海溫均方根誤差約1.3℃左右，并且同樣隨著預報時效延長誤差略有增大。

3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)化流程及其應(yīng)用

平潭海域精細化三維海流業(yè)務(wù)化數(shù)值預報系統(tǒng)流程圖如圖5所示。該系統(tǒng)依托福建省海洋預報臺曙光40萬億次高性能計算機，其存儲容量為248TB。該預報系統(tǒng)在預報結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比驗證和業(yè)務(wù)化試運行的基礎(chǔ)上，目前已經(jīng)實現(xiàn)了從資料接收、處理、模式運行到產(chǎn)品可視化及發(fā)布的安全、高效、穩(wěn)定業(yè)務(wù)化運行。該系統(tǒng)已穩(wěn)定業(yè)務(wù)化運行2—3 a。系統(tǒng)起報時間為每日20時（北京時），提供未來72 h溫鹽流預報產(chǎn)品。系統(tǒng)業(yè)務(wù)具體流程為：

表4 模式預報表層海溫（單位：℃）結(jié)果與3號浮標觀測數(shù)據(jù)的誤差統(tǒng)計

圖5 平潭海域精細化海流業(yè)務(wù)化數(shù)值預報系統(tǒng)流程圖

圖6 平潭海域精細化溫、鹽、流業(yè)務(wù)化數(shù)值預報產(chǎn)品展示圖

圖7 預報系統(tǒng)應(yīng)用界面

（1）每日9時高性能計算機啟動預報主程序；

（2）數(shù)據(jù)預處理：系統(tǒng)自動獲取福建省海洋預報臺業(yè)務(wù)化的WRF氣象模式預報產(chǎn)品，并代入模式計算得到系統(tǒng)所需的海表面凈熱通量、水氣通量和動量通量作為海洋模式的海表驅(qū)動；系統(tǒng)自動下載Myocean當天的業(yè)務(wù)化海表高度、溫、鹽和流預報產(chǎn)品作為該系統(tǒng)海洋模式所需的開邊界數(shù)據(jù)；該系統(tǒng)海洋模式采用熱啟動方式，并采用前兩天存貯的歷史文件作為該海洋模式的初始場；

（3）進行72 h三維溫、鹽、流數(shù)值預報，運行時間為30 min。模式預報結(jié)果產(chǎn)生后，系統(tǒng)自動啟動產(chǎn)品后處理子系統(tǒng)，并生成標準數(shù)據(jù)格式，自動化制作圖形圖像產(chǎn)品（見圖6），并將逐時海流場數(shù)據(jù)自動推送到福建省海上突發(fā)事故應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)和赤潮災害預警系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺（見圖7），開展海上落水人漂移軌跡預測和赤潮漂移軌跡預測工作，為海上搜救應(yīng)急提供保障服務(wù)，為赤潮漂移對養(yǎng)殖區(qū)、濱海浴場等潛在風險的應(yīng)急處置決策提供技術(shù)支撐。整個預報系統(tǒng)無需人工干預，具有較高的自動化程度。

4 結(jié)論

本文基于ROMS海洋模式，采用正交曲線網(wǎng)格和網(wǎng)格雙重嵌套技術(shù)，建立了以平潭附近海域為重點區(qū)域，涵蓋西北太平洋區(qū)域的精細化三維溫、鹽、流數(shù)值預報模式。模式驗證結(jié)果表明，模式預報結(jié)果與實測結(jié)果比較一致，模式在平潭近海預報結(jié)果優(yōu)于沿岸海域。平潭沿岸海域模式預報流速絕對平均誤差和均方根誤差分別小于0.15 m/s和0.20 m/s，流向絕對平均誤差和均方根誤差分別小于35.4°和43.4°；平潭近海海域模式預報流速絕對平均誤差和均方根誤差分別小于0.11 m/s和0.15 m/s，流向絕對平均誤差和均方根誤差分別小于27.6°和28.2°。在模式的基礎(chǔ)上，建立了包含數(shù)據(jù)預處理、溫鹽流預報和預報產(chǎn)品后處理等子程序的業(yè)務(wù)化數(shù)值預報系統(tǒng)。業(yè)務(wù)化運行結(jié)果表明：數(shù)值預報產(chǎn)品具有較高精度，整個業(yè)務(wù)流程運行在30 min之內(nèi)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到業(yè)務(wù)化預報的要求。該預報業(yè)務(wù)系統(tǒng)已業(yè)務(wù)化運行2—3 a，多次為平潭海域海上落水人員、赤潮漂移軌跡預測提供海洋水動力數(shù)據(jù)支持。同時，該系統(tǒng)也可以為海上軍事活動、海上運動、海上交通運輸?shù)忍峁┯行У暮Ｑ蟓h(huán)境安全保障，具有較高的應(yīng)用價值和社會經(jīng)濟價值。

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An operational three-dimensional numerical forecasting system of the sea temperature,salinity and water currents with fine resolutions for Pingtan coastal region

ZENG Yin-dong1,2
（1.Marine Forecasting Center of Fujian Province,Fuzhou 350003 China;2.College of Oceanic and Atmospheric Sciences,Ocean University of China,Qingdao 266071 China）

Based on geographic and hydrodynamic characteristics of Pingtan coastal region of Fujian Province of China,an operational three-dimensional numerical system for sea temperature,salinity and current forecasting with high horizontal and vertical resolutions have been developed.This paper details the numerical model,configuration,results validation,and operational running.This forecasting system is based on ROMS model,by using orthotropic curvilinear grids and nested grid techniques.This system is composed of pre-processing data module,forecasting module,and forecasting production visualization module.The forecasting system has shown reasonable results by comparing with observational data,and the operational running time of the system is constrained in 30 min.The system is stable,and has reached the requirement and standard to become an operational forecasting system.

Pingtan coastal region；fine resolution；sea current model；operationalization；numerical forecasting system

P731.3

A

1003-0239（2017）06-0039-09

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.06.005

2017-06-07；

2017-07-21。

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2013BAB04B00）；福建省科技計劃項目（2017Y0005）。

曾銀東（1978-），男，高工，博士在讀，主要從事海洋觀測預報工作。E-mail:zydzyd100@163.com