返回顶部 关闭
首页 > 测绘海洋 >正文

廿年磨一剑 海上解方程

2021-09-28 10:55:10    来源: 中国自然资源报    作者:鄂歆奕 齐敏

不久前,自然资源部第一海洋研究所(以下简称海洋一所)自主研发的MASNUM海洋环流数值模式完成研发,已具备全球、重点海域以及近岸水文环境的模拟预测能力。该模式的建立历时二十余年。这标志着我国在海洋数值模式发展和海洋环境预报方面取得新突破,对提升我国海洋自主创新科技实力具有重要意义。

在中国工程院院士、物理海洋学家、海洋工程环境专家袁业立看来,海洋运动可以用一组方程来描述,在计算机上求解这组方程,就可以解出海洋运动的具体情况,从而进行对海洋的预测。海洋数值模式就是通过建立大型计算机对数学模型的计算,实现对海洋运动和变化规律的模拟与预测,其实质是用数学和物理的方法解读海洋。

三十余年来,海洋一所坚持发展自主海洋与气候模式,至今已形成了包含海浪模式、潮汐潮流模式、海洋环流模式、浪—潮—流耦合模式以及地球系统模式等的自主海洋模式谱系。

自主可控海洋数值模式:降低混合层深度模拟偏差

模式发展是海洋科学系统工程,包括海洋科学、物理过程理解、计算数学、高效并行计算等的协调与配合。对海洋环境模拟与预报而言,海洋数值模式相当于工业的“芯片”,是国家海洋科技实力的综合体现。

“MASNUM海洋环流数值模式是在原创海洋动力系统理论框架下发展的自主可控海洋数值模式。”海洋一所研究员乔方利介绍。

20世纪末,袁业立带领研究组提出海洋动力系统概念,这是一种崭新的物理海洋学研究基础框架,主要包括具有确定性物理意义的运动类划分和具有数学自洽性意义的运动类分解合成演算,并在此基础上推演出多尺度运动间相互作用的现象认知和动力学解译。

2004年,袁业立和乔方利发展了浪致混合理论,建立了国际首个海浪—环流耦合的数值模式,从物理本质上提升了环流模式对混合过程的刻画能力,比原来模式模拟的上层海洋误差减小80%以上。基于此,MASNUM研究组发展了海浪生湍流混合、海浪输运通量剩余量、内潮生湍流混合、考虑层结的海洋内部混合等方案不断进行海洋模式的优化改进,显著提高了模式对上层海洋混合过程的刻画能力,混合层深度模拟偏差大幅降低。

海洋一所助理研究员庄展鹏介绍,十多年前,袁业立带领当时在海洋一所物理海洋室求学的他和韩磊等青年人,自主研发MASNUM海洋环流模式。2016年,首个版本研制成功,在湍流混合、斜压梯度力计算、并行效率等方面与原有模式相比均有显著提高。

模式应用:具备全球—区域—近岸海洋环境的模拟预测能力

庄展鹏和海洋一所副研究员韩磊向记者介绍了MASNUM海洋环流模式的3个应用案例。

——上层海洋混合优化方案可显著提升海洋模式的模拟与预测能力。

庄展鹏介绍,以往海洋模式的研究对非破碎海浪、非破碎内波导致的湍流混合作用关注较少。

袁业立研究团队通过推导简约闭合湍流控制方程组,实现了对海洋动力系统数值模式体系湍流部分的精密科学描述,由此对MASNUM海洋环流模式进行优化改进,显著提高了模式对上层海洋混合过程的刻画能力,混合层深度模拟偏差大幅降低。

——基于自主MASNUM模式建立了中国近海风暴潮灾害预测和评估模型。

庄展鹏介绍,当台风、寒潮等极端天气过程移近海岸时,风与气压的作用会使海水发生堆积进而漫过堤坝,形成风暴潮,导致沿海一带遭受重大灾害。

研究团队基于自主研发的MASNUM海洋环流模式,准确模拟了多个典型台风过程引起的风暴潮沿岸增水过程,与沿岸验潮站观测的水位资料基本一致。研究结合了自主研发的海浪数值模式,实现了对风暴潮、潮汐、近岸浪耦合作用下的沿岸增水的模拟,成功建立了中国近海风暴潮灾害危险性评估模型。

——自主模式具备对黄海冷水团的准确模拟能力。

在黄海槽地形及其它热力和动力因素的共同作用下,暖半年黄海海域出现冷水团。黄海冷水团的利用对于我国深海鱼类养殖发展具有重要意义。

韩磊介绍,研发团队采用MASNUM环流模式成功模拟了黄海冷水团这一特殊现象,并将模拟结果与海洋一所、韩国海洋研究与发展研究所于1996~1998年的黄海现场调查数据进行了对比,模拟的温盐结构与实测剖面几乎一致,表明自主研发的MASNUM模式可准确刻画出黄海冷水团的空间结构和时空变化特征。

研究团队:潜心模式研究,传承探索精神

发展自主海洋与气候模式,海洋一所已坚持三十余年。

方国洪院士早在20世纪80年代就发展了自主潮汐潮流模式,20世纪90年代初袁业立院士就与国际同步自主发展了第三代海浪数值模式。2004年,海洋一所发展了国际首个海浪—环流耦合数值模式,2013年发展了国际首个包含海浪的地球系统模式,2017年又发展了国际首个包含海浪的台风模式。

“上述模式的发展,不是模仿,是基于自主理论和系列核心技术突破,解决国际现有模式体系的重大瓶颈难题。”乔方利说。

目前,海洋一所海洋环流数值模式研究团队共有40余人,其中工程院院士3人,研究员10余人,45岁以下科研人员约占90%,该团队潜心突破国际海洋模式的瓶颈和难题。

在袁业立的带领和指导下,研究团队提出了黄海冷水团浅海非线性热生环流模式,对我国海洋环流理论的发展产生了深刻影响;首先把非线性水波的研究和风成波机制的研究融为一体,为波浪动力研究指明了方向;在黑潮多核结构及其形成机制、黑潮两翼运动不稳定性等方面做了多项开创性的工作;建立的破碎波统计模型和计算方法,已被世界许多海洋学家作为统计研究的基础;发展了浪致混合理论,在国际上率先实质性地将海浪、潮流、环流在模式中耦合起来,推动建立了全球首个海浪—潮流—环流耦合模式,大幅提升了上层海洋混合层的模拟与预测能力……

近年来,在袁业立和乔方利指导下,研究团队培养了一批优秀的青年科研人员。

庄展鹏师从袁业立,从物理机制层面提升了模式对上层海洋混合过程的刻画能力;助理研究员肖斌潜心全球潮波数值模式、全球潮波—环流耦合海洋数值模式研发,作为核心成员参与了全球0.1°浪—潮—流耦合海洋数值模式及业务预报系统的发展;博士后陈胜从事海洋模式中海气界面通量交换模型的研究,揭示了海浪调制风应力方向和大小的机理,为风应力的准确计算提供了新的技术途径……

MASNUM海洋环流模式的自主研发是海洋一所海洋环流数值模式研究团队自主模式发展的第一阶段,预计在不远的将来,研究团队将会建立海洋动力系统框架下的湍流—波动—涡旋—环流数值模式体系,并通过海洋—气象—陆面—海冰耦合实现更准确的模拟与预报,服务社会需求。

独家稿件声明
本网站内容中注明来源为“中国自然资源报”的所有内容,版权均属本网站所有,任何媒体、网站、个人转载或引用本网站内容,不得对内容原意进行曲解、修改。转载或引用必须注明来源为:“中国自然资源报”。转载本报稿件需经本报授权。违反上述声明者,本报将追究其相关法律责任。
主管:中华人民共和国自然资源部 主办:中国自然资源报社
ICP备:京ICP备11028287号-4  京公网安备 11010202009388号   地址:北京市西城区复兴门外大街1号  邮编:100860    报刊征订:010-68047627/7643