气象强迫场时间频率对ROMS模式高分辨率数值模拟的影响分析

周立佳，党振中，董慧超，白东宇，艾 阳

（1.海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018；2.海军海洋水文气象中心，北京 100000；3.中国人民解放军91910部队，辽宁 大连 116018；4.东海舰队水文气象中心参谋部37分队，浙江 宁波 315122）

气象强迫场时间频率对ROMS模式高分辨率数值模拟的影响分析

周立佳1，党振中2，董慧超3，白东宇2，艾 阳4

（1.海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018；2.海军海洋水文气象中心，北京 100000；3.中国人民解放军91910部队，辽宁 大连 116018；4.东海舰队水文气象中心参谋部37分队，浙江 宁波 315122）

利用海洋数值模式对海洋环流、潮汐、温盐场等进行模拟，是目前海洋科学研究中的重点方向。覆盖渤海、黄海、东海的中国近海广阔海域是海-气相互作用的显著作用区，气象场对数值模式的驱动对该海域模拟的效果具有显著的影响。通过设计对比实验，在不同时间频率气象强迫场条件下，利用ROMS模式对中国近海海域的数值模拟研究进行对比分析，为中国近海海域高分辨率海洋再分析和数值预报提供理论支持。

渤海；黄海；东海；ROMS模式；海气相互作用

渤海、黄海和东海陆架形成宽广的陆缘浅海，且3个海区由北向南紧靠着中国大陆[1]。渤海和黄海构成一个浅的向东海敞开的海湾，穿过该海湾中部偏东有一个浅的海槽，它向南一直可以通至东海的冲绳海槽北端。东海大部分是一宽广陆架，陆架北邻黄海，东北通过朝鲜海峡（或称对马海峡）和日本海相接，南面通过台湾海峡和南海相连。黄河从渤海南部流入渤海，长江则在上海附近注入东海。

海洋与大气之间存在质量、动量以及热量的输送，例如海面风场对海洋的强迫作用。海面风场是海洋上层运动的主要动力来源,不仅直接影响海气之间的动量和热量交换,而且是区域和全球海洋环流的动力来源,维持着区域与全球的气候,更是气象预报和海气相互作用研究中的重要参数[2]。广阔的中国近海海区是典型的季风气候区,每年的冬季多偏北风而夏季多偏南风,春秋两季多发生季风的转换,这种随季节变化而产生的风速风向变化,导致中国近海受到显著的海-气相互作用的影响。

ROMS模式是在海洋科学研究中应用广泛的三维、自由表面、随底坐标的原始方程模式。近年来，国内外学者开始利用ROMS模式对中国近海海域进行研究，取得了丰富的研究成果[3-5]。气象强迫场的质量是影响模式模拟效果的重要因素。本文通过设计对比实验，在不同时间频率气象强迫场条件下，利用ROMS模式对中国近海海域的数值模拟研究进行对比分析，为中国近海海域高分辨率海洋再分析和数值预报提供理论支持。

1 ROMS模式介绍

1.1 ROMS模式框架

在本研究中，使用区域海洋动力模式（Regional Ocean Modeling System，简称ROMS），ROMS模式是近年海洋科学研究中应用广泛的三维、自由表面、随底坐标的原始方程模式。ROMS是由美国新泽西罗格斯大学（Rutger University）与加州大学洛杉矶分校(University of California，Los Angeles)共同研发的。ROMS模式可以进行单独的海洋模式计算，也可以与大气模式等进行耦合计算。

ROMS模式包括准确、高效的物理和数值算法，生物地球化学、生物-光学、沉积物、海冰等模块，这些模块可以单独模拟也可以耦合计算。同时，ROMS模式还包括几个不同的垂向混合方案、多层拟合和网格方案。此外，ROMS模式包括为强约束变分资料同化和弱约束变分资料同化设计的驱动程序，并利用驱动程序用来检测TLM、RPM和ADM等算法的准确性。

1.2 控制方程

ROMS模式采用了Boussinesq近似和准静力近似。Boussinesq近似仅在垂直方向运动方程的浮力项中考虑水体密度差异的影响。准静力近似认为近岸海域里的垂向尺度远小于水平尺度，即垂直压强梯度力与重力平衡。ROMS模式在笛卡尔坐标系中控制方程如下：

运动方程：

连续方程：

标量（温度、盐度）控制方程：

状态方程：

式中：Fu，Fv，Fc为强迫项；Du，Dv，Dc为扩散项；f(x,y)为科氏参数；g为重力加速度；φ(x,y,z,t)为压强项（φ=P/ρ0）。

2 模式配置

2.1 模式区域及网格设置

模式区域包括渤海、黄海、东海、南海东北部部分海域以及西北太平洋部分海域（116°E～137°E，18°N～42°N）。模式网格水平分辨率为1/24°，约3.9 km×3.9 km，总网格数为503×673；模式垂向分为48层，垂直方向的坐标拉伸参数设置为θ=8.0和b=0，即在底层不进行加密处理，而对表层进行加密处理；模式地形最大深度设为5 000 m。地形数据为美国全国地球物理资料中心（National Geophysical Data Center，NGDC）的ETOPO2数据，水平分辨率为2’×2’。

图1 模式覆盖区域，包括整个东海、南海东北部部分海域以及西北太平洋部分海域（116°E～137°E，18°N～42°N）

图2给出了东海沿28°N的纬向网格垂向剖面示意图，从图中可以看出在垂直方向对表层进行了加密处理，且垂向网格可以较好地表征地形的变化，有利于模拟潮汐与地形相互作用下内潮产生时地形的强迫作用。同时，图2标注了东海的主要地形特征，自东向西依次为中国东海大陆架、冲绳海槽、琉球群岛岛链以及琉球海沟，结合图2可以发现其地形特征沿西南至东北方向分布。在东海大陆架外缘的大陆架斜坡非常陡峭，直接与北浅南深的冲绳海槽相连。冲绳海槽东南方向是琉球群岛岛链，琉球群岛岛屿众多，地形变化比较剧烈。

图2 模式S坐标垂向分层剖面示意图（东海沿28°N的垂向分层(θ=8.0，b=0)，垂向共分48层）

2.2 时间步长的选取

为提高计算效率，ROMS模式采用时间分裂算法。模式将计算过程分为内模态（斜压积分）和外模态（正压积分）两个步骤分别进行，内外模式耦合计算。外模态采用显式算法，根据CFL线性稳定性条件和重力外波的波速，决定外模态计算的积分步长，所以外模态要求较小的时间步长；内模态采用隐式算法，根据CFL线性稳定性条件与重力内波的波速，决定内模态积分步长，内模态要求的时间步长较长。本文选取的内模态时间步长为120 s，外模态时间步长为1 s。

2.3 气象强迫场

海洋与大气之间存在质量、动量以及热量的输送，例如海面风场对海洋的强迫作用。太阳辐射是海洋中能量的主要来源，但由于热力差异的原因，导致大气中的动力和热力物理过程为一高频的变化过程，变化快，且变化较为剧烈；而海洋中的动力和热力物理过程为一低频的物理过程，变化缓慢。模式气象强迫场包括大气对海洋强迫的风场、热通量及短波辐射等。本文设计不同时间频率气象强迫场的对比实验，气象强迫场采用NCEP多年平均结果（1958-2008），空间分辨率为1.875°×1.875°，时间分辨率分别采用1天4次和1月1次气象场驱动。

2.4 潮汐驱动

模式东、西、南、北4个边界均设为开边界条件。为了模拟海区真实的潮流情况，在开边界处添加8个主要分潮的驱动场，分别为M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1。其中半日潮有M2，S2，N2，K2（M2＞S2＞N2＞K2）；全日潮有K1，O1，P1，Q1（K1＞O1＞P1＞Q1）。其开边界的分潮调和常数来源于OSU Tidal Data Inversion（OTIS）提供的TPXO7数据集。TPXO7数据集包含全球范围10个分潮（M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，Mf，Mm）潮汐和潮流的调和常数，其分辨率为1/4°×1/4°，网格数为1 440×721。

2.5 初始场

本文使用的初始场为ECCO、WOA05和NMDIS合成的温盐场，其中将1月份ECCO月平均数据作为背景场，采用三维变分数据同化方法[7-8]，依次将1月份WOA05和NMDIS的月平均数据进行同化。模式初始场的海面高度场采用ECCO数据，模式初始场的流场为静止状态，在模式的积分过程中形成与模式温盐场相匹配的流场。最终得到模式的初始场。

3 模式验证

3.1 WOA13数据介绍

本文选取WOA13资料集温度要素数据对黑潮的模式模拟进行验证。WOA 13（World Ocean Atlas 2013）是来自NOAA海洋数据中心气象实验室的海洋气候学数据集产品，时间较近，范围遍及全球，有年平均、季节平均和月平均等不同的数据产品，是多种数据集的整合产品。WOA13数据是多种实际海洋、气象观测数据的融合，具有较高的空间分辨率，包含5°，1°，0.25°3种不同分辨率的数据。本文选用1955—2013年季节平均网格温度数据，分辨率0.25°，分析范围在116°E～137°E，17°N～41°N之间，水层选取1～57层之间，最深深度接近6 000 m，可以满足模式验证的需求。

3.2 模式输出能量曲线

本文在真实的流场、地形以及气象强迫场条件下，ROMS模式共运行积分10 a，输出第10年的数据变量进行分析。模式启动时间为2000年1月1日0时，模式积分10 a，输出物理量包括水平流速分量、垂向平均水平流速分量、垂向平均垂向速度分量、温度、盐度、密度等变量。为了验证模式是否达到稳定，绘制模式积分前6年的能量曲线（见图3）。

图3 模式输出能量曲线

通过对模式积分前6年的能量曲线变化规律的分析，证明模式积分至第6年时能量变化已呈现明显的年周期性变化，说明模式积分6年之后已经趋于稳定，进而说明模式积分第10年的数据是可用的。

3.3 模式对PN断面温度剖面结构的模拟

中国近海具有明显的大洋西边界流的环流特征，其中黑潮是中国东部海域一支高温、高盐的太平洋西边界暖流，其流速强劲且流向稳定，在我国东海海域黑潮流速为40～80 cm/s，最大流速为180 cm/s。

图4 PN断面位置图[6]

图4中黑色实线为西北太平洋黑潮流轴的位置，箭头表示黑潮流动的方向。本文选取位于黑潮中央地段的PN断面，对模式模拟的垂向结构进行验证。PN断面自东海西北角长江口到东南角琉球群岛呈西北、东南走向，（具体位置为西起27°30’N，128°15’E，东至30°30’N，124°30’E，与纬线的夹角为37°）。PN断面横切东海黑潮主干，垂直与东海黑潮主轴流速的方向。在对东海黑潮的调查研究中，PN断面是应用最广泛的一个断面，也是表征东海黑潮强度以及时空变化的重要标志。

图5 利用WOA13逐月月平均资料提取的PN断面温度剖面

图5是利用WOA13逐月月平均资料提取的PN断面温度剖面。从中可以看出，黑潮主轴上有非常强的暖水，尤其是1月和4月暖水团非常明显，在两侧的海水有很强的温度梯度，且4月份其流核结构十分明显，黑潮主轴的强度较大。7月份，海水表层的温度都非常高，温度梯度不是很明显，10月份，随着高温水的南退，黑潮主轴的暖水特征又再次出现。对于PN断面，深层水的水温变化不是很大，全年的温度特征都比较一致。从PN断面的温度结构分析中，我们发现冬、春季节PN断面流核结构最为明显。

图6为模式模拟的PN断面温度剖面，通过与WOA13资料提取的PN断面温度剖面的对比可以发现，模式较好地模拟了PN断面上黑潮主轴上的暖水核结构，特别是1月和4月PN断面上暖核结构较为明显，其中1月份表层水最高温度可达22℃，4月份表层水最高温度可达24℃。受太阳辐射的影响，7月PN断面剖面上表层水最高温度都高于25℃，中国近海海域处在大片的高温区，削弱了PN断面上的流核结构；10月，随着海表面温度下降，海表面高温区减弱，暖水核结构再次出现。模式较好地模拟了PN断面上黑潮主轴暖水核的结构，且合理地模拟了断面上温度结构的季节变化特征。

模式较好地模拟了海表面温度场的分布以及PN断面的温度剖面结构，说明模式对黑潮以及中国近海的温度结构及环流具有较好的模拟效果。

图6 模式模拟结果提取的PN断面温度剖面

4 不同气象强迫场条件下模式对中国近海环流的模拟

本文从4月份海表面温度（SST）要素出发，并与WOA13数据进行对比，对不同气象强迫场条件下中国近海环流的模拟结果进行分析，并探究模式气象强迫场对模式结果的影响。

4.1 WOA13数据提取4月份气候态海表面温度

图7给出了利用WOA13数据提取的4月份气候态海表面温度场。从图中可以看出,4月份的气候态海表面温度(SST)具有明显的季节特征；东海外海黑潮主轴上的暖水舌温度明显高于邻近海域；受东亚冬季风的影响，对马暖流、黄海暖流以及中国沿岸流等中国近岸的环流较为明显。

图7 WOA13数据4月份气候态海表面温度

4.2 不同气象强迫场条件下模式对海表面温度场的模拟

为了说明模式气象强迫场对模拟结果的影响，本文设计了针对气象强迫场的对比试验。对比试验中模式气象强迫场的驱动频率为1次/月，其它设置不变。图8(a)给出了原始实验模拟4月份的海表面平均温度场（气象强迫场的频率为4次/d），图8（b）给出了对比实验模拟的4月份海表面平均温度（气象强迫场的频率为1次/月）。

从图8（a）中可以看到，模式较好地模拟了东海外海黑潮主轴上的暖水舌，该暖水舌自台湾北部向东北方向发展，可以利用黑潮高温的特点表征其黑潮主轴的路径。模式较好地模拟了台湾东北海域和吐噶喇海峡附近发生的黑潮路径的弯曲，较为细致地模拟了黑潮路径先向北伸，再折向东的路径弯曲的特点。同时，模式对台湾暖流、对马暖流、黄海暖流以及中国沿岸流等环流都有较好的模拟。从图8（b）可以看出，对比实验中，模式对中国近海环流的模式存在台湾暖流异常偏强而中国沿岸流异常偏弱的现象。在对比试验中，气象强迫场的频率为1次/月，该气象强迫场无法表征东亚季风对海表面环流的影响，不足以反映大气对海洋的动力和热力的作用和影响，造成了中国近海环流的异常。在原始模式中大气对海洋强迫的风场、热通量及短波辐射等变量采用NCEP多年平均结果（1958-2008年），空间分辨率为1.875°×1.875°，时间分辨率为4次/d。通过对比分析可知，利用较高的空间和时间分辨率的多年平均气候态气象强迫场，可以较好地模拟真实的大气对海洋的强迫作用，得到较为理想的中国近海数值模拟效果。

图8 4月份海表面平均温度场（SST）

5 结论

（1）通过对PN断面温度剖面结构季节变化特征的提取分析，说明ROMS模式中国近海的温度结构及环流具有较好的模拟效果。

（2）在不同时间频率气象强迫场条件下，利用ROMS模式对渤海、黄海、东海及邻近海域海表面温度场的高分辨率数值模拟效果进行对比分析，说明利用较高时间分辨率的多年平均气候态气象强迫场，可以较好地模拟中国近海海域真实的大气对海洋的强迫作用，得到较为理想的模拟效果。

参考文献：

[1]苏纪兰.中国近海的环流动力机制研究[J].海洋学报(中文版)，2001，04:1-16.

[2]孟庆军.黄海温度和环流对不同频率风场响应的数值模拟研究[D].青岛：中国海洋大学,2015.

[3]崔可夫.基于ROMS的渤海湾水动力学模型及其应用[D].天津：天津大学,2014.

[4]綦梦楠.厦门湾及邻近海域潮汐潮流数值模拟与预报研究[D].青岛：中国海洋大学,2014.

[5]边昌伟.中国近岸泥沙在渤海、黄海和东海的输运[D].青岛：中国海洋大学,2012.

[6]王兆毅，王辉，黑潮对中国近海环流影响的数值模拟研究[D].北京：国家海洋环境预报中心，2012.

[7]Li W,Y Xie,Z J He,et al Application of the multi-grid data assimilation scheme to the China Seas'temperature forecast[J].J Atmos Oceanic Tech,2008，25:2106-2116.

[8]Li W,YXie,SMDeng,et al.Application ofthe multigrid method tothe two-dimensional doppler radar radial velocitydata assimilation [J].J Atmos Oceanic Tech,2010,27(2):319-332.

Analysis on the Effects of the Climatological Forcing Frequency on High Resolution Simulation of ROMS

ZHOU Li-jia1,DANG Zhen-zhong2,DONG Hui-chao3,BAI Dong-yu2,AI Yang4
1.Dalian Naval Academy,Dalian 116018,Liaoning Province,China; 2.Naval Hydrologic Meteorological Center,Beijing 100000,China; 3.No.91910 Troops of the PLA,Dalian 116018,Liaoning Province,China; 4.The 37th Team of the Staff Department of the East China Sea Fleet Hydrologic Meteorological Center,Ningbo 315122,Zhejiang Province,China

Currently,the simulation of the sea currents,tides,temperature and salinity based on ocean data models is an important method for the research of the marine science.The Bohai Sea,Yellow Sea and East China Sea are notable regions of air-sea interaction,where climatological forcing has significant effects on the simulation of those regions.The Regional Ocean Modeling System (Roms),which is used in this paper,is a widely applied ocean model.Numerical simulation is conducted for the coastal waters of China under different conditions of time frequency climatological forcing.Through comparative analysis on different time frequency climatological forcing for Roms,this paper provides the theoretical support for numerical forecasting and simulation of the coastal waters of China.

Bohai Sea;Yellow Sea;East China Sea;ROMS;air-sea interaction

P731

A

1003-2029（2017）02-0083-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.014

2016-11-11

信号稀疏表示的广义测不准原理研究项目资助（61471412）

周立佳（1962-），男，博士，副教授，主要研究方向为军事海洋环境作战应用。E-mail:dangazhong@163.com