我国海洋气象数值预报业务发展与思考

1、我国海洋气象数值预报业务发展与思考黄彬1阎丽凤2杨超1徐晶1（1国家气象中心，中国气象局，北京100081；2山东省气象局，济南250000）摘要：总结了我国现行海洋气象数值预报业务模式的主要发展现状，分析了海洋数值模式目前存 在的问题和面临的挑战，并提出了海洋数值模式的未来发展思考和建议。关键词：海洋气象，数值预报1引言海洋气象预报业务经过近几年的发展取得长足的进步，已经建立了国家级、海洋区域中心级、 省级及地（市）级的三级海洋气象预报预警服务业务体系，其技术支撑体系海洋数值预报模式也 得到发展和应用，除大气数值预报模式外，相继有海雾、海浪、风暴潮、海洋污染物扩散等海洋 数值模式应用于海洋气

2、象预报服务业务中。国家气象中心和沿海省台发展或引进应用海洋数值模 式，模式产品的应用为精细化的海洋保障服务提供技术支持和客观产品保障。本文旨在通过客观 分析目前我国海洋数值预报业务产品研发和使用现状，为我国海洋数值模式未来长远规划和高效 集约发展提供思路。2海洋气象数值预报的业务进展2.1国外海洋模式发展情况从二十世纪70年代开始，美国以专职的研究机构Marine Modeling and Analysis Branch（MMAB） 和Meteorological Development Laboratory （MDL）发展海洋模式，并负责把模式产品转化应用 到业务中，业务单位负责评估和检验并

3、反馈给研究机构改进模式，形成研发T业务转化应用T评 估T再研发的循环机制。美国于1989年初步建立了能见度数值预报系统，目前版本的预报系统（NCEP MMABGlobalVisibilitySystem，2006年）是建立在GFS模式输出结果基础上，选用修订版Stolinga和 Warner算子，输出能见度在0-2000m的范围内的数值。20世纪50年代至今，海浪数值预报模式得到 了迅速发展，目前第三代海浪模式成为代表当今海浪预报技术世界水平的海浪数值计算模式。主 要用于深海和陆架海的海浪计算，它在近岸较大范围波浪计算也有很大优势，第三代海浪模式主 要有WAM模式、SWAN模式和WAVEWAT

4、CH模式。风暴潮的数值计算进入21世纪主要集中于近岸浪一风 暴潮一潮汐和洪水的多向耦合数值预报以及风暴潮漫堤漫滩风险预报研究。美国在SPLASH模式的 基础上又进行了SLOSH模式的研究，这个模式能预报海上、陆地以及大湖区的台风风暴潮，在风暴 潮防灾减灾中发挥了较大作用，该模式在全世界广泛使用，并于20世纪80年代末由国家海洋环境预报中心引入中国。2.2国内海洋气象数值模式技术支撑效益近年来，为满足日益快速发展的海洋气象预报服务需要，国内气象部门都在大力发展海洋 气象数值模式。已发展的预报模式主要有海雾、海浪和风暴潮三种海洋模式。目前，海洋气象数值模式（海雾、海浪、风暴潮）产品分辨率、预报时效

5、不断满足近海海 洋气象预报服务需求，海洋模式为精细化的海洋保障服务提供了技术支持，如2008年奥运青 岛奥帆赛的5KM分辨率海浪模式，黄渤海的精细化海雾模式都为奥帆赛提供了大量精细化客观 产品（图1）。海洋灾害（海上大风、海雾、风暴潮）的提前预警也离不开海洋模式的支持，模 式可以提前72小时甚至更长时效对灾害天气的发生给予警示作用。模式还为满足快速增长的专业化服务需要提供客观产品。目前海洋气象预报产品对外发布 为72小时时效，海洋专业化如远洋航运等需求中长期预报时效产品，海洋模式弥补了主观预 报的不足，可以提供长时效客观预报产品，如海上大风、海浪模式目前有240小时的全球海浪 数值产品（图2）

6、。模式提供的远海海域的预报产品也为亚丁湾海军常态化护航、利比亚海上撤侨、日本核泄漏海洋污染保障任务等远洋服务需要提供了客观技术保障（图3，图4）。图1中国近海能见度预报图3亚丁湾军事护航风场预报图4日本福岛核泄漏海洋扩散预报2.3国内海洋专业模式发展情况目前，国家气象中心、海洋区域中心（天津、上海、广东）和沿海省市的海洋模式建立了 基于WRF、MM5、T639、GRAPES、海洋数值预报系统。除了气象中心单独开发海洋污染物扩散模 式外，上述单位开发的海洋模式主要是海雾、海浪、风暴潮这三种海洋模式，但是海洋模式的 开发种类和数量各家单位不等，采用的基础模式的版本各家单位不一，种类繁多，模式的范围

7、 和区域重叠，且模式产品互相不共享。下面我们具体阐述每类模式的开发状况。1、海雾数值模式海雾模式基本是对WRF模式加以优化，在海雾生消变化规律的基础研究上，综合考虑大气边界 层、云辐射等方案，结合地表能量收支、海盐粒子、液态水重力沉降等物理因素，对海雾数值模 拟和预报的研究。运行海雾模式的有六家单位，模式分辨率从15KM到30KM，预报时效从24小时到 168小时，河北、山东运行海雾RAM模式都是由中国海洋大学提供的模式。海雾（能见度）预报模式模式运行单位基础模式区域范围预报时效气象背景场开发单位产品国家气象中心IRF（WKF预报场诊 断）中国近海72hrs16.5kmTO台海中心与数 值中心

8、能见度河北RAMS模式潮海48hrs30kmT639海洋大学云爹要素场山东RAMS黄渤海72hrs15kmT639海洋大学水平能见度上海模式输出统计黄海、东海48hrs9kmSTI-SRF 输出上海台风所浓雾、雾、轻 客等级华东沿海48hrs20kmGFS模式输出上海海洋台能见度RF中国近海168hrs5km15km45kmGFS浙江省台能见度福建基于FJ-瞄的 模式释用福建及福建 沿海24hrsllhFJ-JM5分析场 及预报场福建省台引进雾出现概率、 客落区FJ-KM5-EPS台湾海峡及其周边海域48hrsllkm探空、地面常 规213分析场 及预报场福建省台引进客、浓雾、强 浓雾权率2、

9、海浪模式海浪模式运行单位全部采用WAVEWATCHIII海浪模式，是目前应用较为广泛的第三代海浪模式， 是代表当今海浪预报技术世界水平的海浪数值计算模式。开发WAVEWATCHIII海浪模式的单位有八 家，是海洋模式单一种类中开发最多的单位，参加海浪模式的有8家科研院所，从模式范围来看， 全球海浪模式有三套，西北太平洋有四套，对于近海海浪模式各家也范围重叠较多，气象背景场 多。海浪模式模式运行单位某础模式区域范用预报时效分辨率气孝背景场开发单位产品国家气象中心WAVE WATCH HI全球240111$55kmT213数值预报中心有效浪成平均浪向 浪周期全球1201irs30kmT639西北太

10、平汴72hrs11kmWRF黄渤海72hrs5kmWRF东海72hrs5kmWRF仔风海洋中心用海72hrs5 kmWRF辽宁WAVEWATCH III黄、舫海84hrs11kmWRF模式输山德国汉堡大学中国海洋大学WAVEWATCH III黄、创海72hrs11kmWRF模式输出天津布气科所SWAN黄、舫海72hrs10km 1kmWRF模式输出天津市气科所二代新型混合 型海浪模式西北太平洋168hrs海浪11km 风场111kmGFS天津市台与上海台风所山东WW3黄渤海48hrs10kmMm5模式输出中国海洋大学江苏WaveWatch-III西北太平 洋、近海168hrs55km 18.3

11、kmGFS风场预报解放军理工大学上海WaveWatch-III食球168hrs55kmAVN上海台风所西北太平洋 及我国海域168hrs11kmAVN+台风模型上海占风所SWAN华东沿海72hrs11kmSTI-WRF 输出上海海洋气彖台福建WAVEWATCH III东海、南海72hrs18.3kmNcep风场资料福建省台引进WAVEWATCH III南海、东海72hrs25km广州中尺度模式广州热带所南海、东海72hrs20km广州台风模式广州热带所3、风暴潮模式风暴潮主要包含台风风暴潮和温带风暴潮模式，采用三角网格，在沿岸风暴潮敏感区域的分 辨率可达几百米，模式采用干湿网格判别方法，可以模

12、拟风暴潮漫滩过程。从调查表格中可以看 出有七家单位运行风暴潮模式，但是采用的基础模式也有7种，各个模式之间没有开展对模式性 能的比较。风暴潮模式模式运行单位基础模式区域范围预报时效分辨率气象背景场开发单位产品象中心FVC0M黄渤海及东海72hrs几百米T213数值预报中心顷暴潮增水验潮站序列 表层海流黄渤海及东海72hrs几百米ECW细网格台风海汗预报中心南海区域72hrs几百米ECW细网格台J4海洋预报中心辽宁HAM0SM渤海81hrs7. 3km1. 8kmWRF模式输出中国海洋大学河北WRF模式渤海48hrs10kmMM5天津市海洋台天津ADI员、渤海72hrs10km 1kmWRF模式

13、输出天津市气科所EC0M黄渤海区域72hrs黄渤海7. 4km*4. 6km 渤海1.6km渤 海湾0. 9km大 津 0. 2kmWRF模式输出天津市气科所HAMS0M18hrs11kmMM5模式於出天津市气象台与中 国海洋大学山东HAMS0M黄渤海48hrs7, 5kmT639模式输出中国海洋大学上海P0M南海、东海、黄 海和渤海：长三 角和上海黄浦江48hrs20km.50Dr3kmAVN+STI-WRF上海台风所广东JMA风累 潮模式5-50N, 90E-150E48hrs3. 3km广州台风模式 及主观预报广州热带所总体特征：技术辐射能力没有建立。模式研发主要以科研院所为主，同一个科

14、研单位参与开发 多种海洋模式产品。海浪模式基础模式一致，但气象背景场多，重复开发。风暴潮核心模式版本号 多，但是各种版本的模式没有比较。3问题与挑战从海洋专业模式现状分析上可以看出，海洋数值模式对海洋气象业务的支撑能力有了初步体 现，形成了一定的技术支撑作用。但是我们也看到，海洋模式建设水平参差不齐、研究力量分散 且低水平重复；海洋气象模式集约化程度不高、技术辐射能力低，还没有形成高效共享的海洋气 象科技支撑体系。主要表现在以下方面：3.1海洋模式建设能力参差不齐。国家级、省市级海洋气象预报开发的海洋模式产品数量不等。国家级开发了海雾、海浪、风 暴潮、海洋污染物扩散四种海洋模式，海洋区域中心和

15、沿海省台运行海洋模式的数量不等，浙江、 广西只有能见度模式，江苏只有海浪模式，辽宁、河北有海浪和风暴潮2种海洋模式，海南没有海 洋模式。3.2海洋模式研究力量分散且技术辐射能力不足。省市级气象部门海洋模式基本是依托科研院所，开发海洋模式的天津气科所、上海台风所、 中国海洋大学、广州热带所参与所有种类海洋模式的开发，而不是发挥自身的特长集中力量开发 一种或两种海洋模式，这样势必造成研究力量分散。而且海洋模式产品并没有有效地辐射到沿海 省台或市级海洋气象台，包括国家级在内的部分海洋模式产品并没有下发，国家级和海洋区域中 心的海洋模式产品基本上是内部使用，国家级的和区域中心的海洋模式产品均没有形成技

16、术辐射 下发到省级或市级。3.3海洋模式以引进为主，缺少后续的改进和更新。沿海省台海洋模式主要是引进科研院所的模式，或者是引入本地化运行的模式，对模式的性 能没有深入的了解，伴随后期业务和服务的需求不断扩展，但却缺少对模式长远研发规划的支持 和连贯性，科研院所由于没有后续的科研项目的支撑也没有改进和跟踪服务的动力，因此海洋模 式引进后改进和更新很少，几乎处于维持不动的状态。3.4缺乏对模式的检验海洋模式由于海洋观测资料匮乏的原因和科研院所资料获取的局限性，海洋模式在投放业务 单位运行前都没有做过长时间序列的检验和评估，对模式预报产品质量的好坏也没有细致的分 析。4海洋模式发展思考和建议4.1加

17、强总体设计和筹划，合理布局。海洋气象应切实以发展海洋专业模式及加快推进海洋气象精细化预报业务为核心，加强顶层 设计和谋划，联合科研院所的潜在优势，形成的多层的技术辐射，国家级发展高分辨率的近海、远 海全海域的海洋模式，区域中心、沿海省台在国家级海洋模式的基础上运行或发展近岸沿海更高分 辨率的海洋模式向市县一级辐射的三级海洋模式的框架体系。三个区域中心拼接成覆盖中国沿岸及整个沿海的海洋数值预报产品，拼接的中国沿海海域数 值产品一方面下发，另一方面上传到共享平台，无论是国家级还是区域级运行的海洋模式对产品的 种类和表现形式协调统一，分辨率和时效也要做统一规划。4.2集中研发力量，发挥科研院所在某一

18、领域专长目前在海洋气象方面还没有形成成熟完善的海洋气象科技支撑体系，从国外海洋气象的发展 趋势来看，海洋气象模式以发展高分辨率的海陆气耦合的海洋模式，同化海洋资料再发展不同的海 洋模式。国内海洋模式应集中几个重要的海洋气象研究方向，发挥科研院所对某一领域的专长，集 中优势使其深入研究该方向的海洋模式。4.3积极推进模式检验和数值预报释用工作由于海洋资料的匮乏和获得渠道的难易原因，业务单位和科研院所在实况资料的获得各有优 势，因此建议业务单位和联合科研院所共同完成模式的检验工作，业务单位在模式运行本地化后， 应不断加强模式的检验和应用效果评估工作，并集中反馈给科研单位，为后续的模式改进和深入研 发提供一手的资料。海洋精细化预报