南海海洋环境数值试验平台

发布时间:2015-06-04

　　所属战略性新兴产业领域： 新一代信息技术

　　所属高新技术领域： 地球、空间与海洋

　　属其他学科、专业领域： 物理海洋学

　　单位名称： 中国科学院南海海洋研究所

　　成果简介：

　　1.1科技成果简介

　　本项目建成了南海海洋环境数值预报试验平台(简称EPMEF)，实现了对我国华南及南海区域大气与海洋状况实时短期(3天)和中期(15天)预报和预测。其中，大气模式采用国际先进的WRF(The Weather Research and Forecasting)模式及其三维变分同化系统，在WRF三维变分同化系统中加入了目前世界先进的选尺度变分同化方法(Scal-Selective Data Assimilation, SSDA),大大提高了大尺度背景风场的预报精度，以提高台风路径的模拟精度;海洋模式采用POM(Princeton Ocean Model)模式，海浪模式采WW3(Wave Watch 3)模式，并在海洋模式中加入第一完成人(彭世球)独立发展的基于POM的四维变分同化系统POM-4DVAR(4DVAR, Four-dimensional Variational Data Assimilation Method)，并将三维非线性海洋模式及其四维变分同化系统应用到风暴潮的实时预报中，极大地提高了海洋预报技术的水平。此外，还利用法国的耦合器OASIS对大气模式和海洋模式进行完全耦合，以提高对台风强度的模拟精度。

　　本项目完成了SCI论文7篇，主要体现在POM-4DVAR系统能优化海洋模式初始场，并提高风暴潮预报精度上。同时，南海海洋环境数值预报试验平台的建成，实现了对我国华南及南海区域大气与海洋状况实时短期(3天)和中期(15天)预报和预测，从2010年9月初试运行以来，成功的预报了华南地区多个极端天气情况。该平台还为公益事业做出了贡献，并具有重大的应用前景，社会效益明显。

　　注：中国科学院“百人计划”项目 —— 南海海气耦合与资料同化(5211414)

　　成果创新性：

　　1.2创新性

　　本项目的主要科技创新包括：

　　POM的四维变分同化系统POM-4DVAR的建立;

　　将POM-4DVAR应用于对海洋模式初始场、边界场和物理参数的优化中;

　　在WRF三维变分同化系统中加入了目前世界先进的选尺度变分同化方法(Scale-Selective Data Assimilation, SSDA),大大提高了大尺度背景风场的预报精度;

　　利用POM三维变分同化方法重构模式初始温盐场。

　　本项目建立了针对南海区域的南海海洋环境数值预报试验平台(Experimental Platform of Marine Environment Forecasting, 简称EPMEF)。其中大气模式采用国际先进的WRF(The Weather Research and Forecasting)模式，以美国国家海洋与大气管理局NOAA(The National Oceanic and Atmospheric Administration)每6小时发布的GFS(The Global Forecast System)全球1°*1°预报产品作为初始场和边界场，采用双重嵌套网格技术实现“动力降尺度”，其中外区域网格尺度为72km，提供15天的预报结果，内区域网格尺度为24km，提供78小时的预报结果;利用大气内区域提供的10m风场和海面气压场驱动海洋模式POM(Princeton Ocean Model)，并用俄勒冈州大学的潮汐模型(OTPS)提供边界处的潮汐调和常数，得到海南区域(E99°~130°，N0°~30°，网格尺度为1/20°)48小时的潮汐风暴潮预报结果;同时，利用大气内区域提供的10风场驱动海浪模式WW3(Wave Watch 3)，网格尺度为1/10°，得到南海区域48小时的海浪预报结果。预报结果与中国科学院南海海洋研究所西沙站的水文浮标数据进行对比，检验预报的精度。同时，本平台在大气模式中加入WRF-3DVAR(WRF-三维变分)同化系统，通过同化卫星资料提高台风路径和极端对流天气等的预报精度, 还在WRF三维变分同化系统中加入了目前世界先进的选尺度变分同化方法(Scale-Selective Data Assimilation, SSDA),大大提高了大尺度背景风场的预报精度，以提高台风路径的模拟精度(代表性论文4);在海洋模式中加入第一完成人独立发展的基于POM的四维变分同化系统POM-4DVAR，通过将水位高度及海表流速同化进海洋模式中，对模式初始场、边界场和物理参数进行优化，以提高模式的模拟和预报精度(代表性论文1,2，6,7)。此外，还利用法国的耦合器OASIS对大气模式和海洋模式进行完全耦合，以提高对台风强度的模拟精度。

　　获奖情况：

　　2012年度中国海洋工程咨询协会海洋工程科学技术奖二等奖

　　成果独占性：

　　1.3独占性

　　本项目第一完成人彭世球独立发展了三维斜压非线性的普林斯顿海洋模式(POM)的切线性和伴随模式，而且建立了相应的四维变分数据同化系统，并将其应用到对风暴潮的模拟研究中，通过对水位和海表流速进行同化模拟，优化初始场或边界场，计算结果显示有同化的模拟效果明显优于无同化的模拟效果(代表性论文1，2，6，7)。该成果被普林斯顿大学著名海洋学家L.Oey评价为“对于海洋科学界是一件具有里程碑意义的大事”， 并受邀请将模式在普林斯顿大学的网页上公开发布，供全球海洋科学家进行海洋研究与探索之用(代表性论文1)。

　　此外，该平台还利用POM及其三维变分同化系统重构模式的初始温盐场，即通过同化卫星沿轨高度计资料，调整温度和盐度。其特点是在同化高度计资料时考虑了非线性温盐关系作为平衡约束(图2)。同化过程分为两步，首先是在每一个高度计观测资料的水平位置，从高度计资料反演温盐垂直廓线。然后，将其垂直插值到模式每一水平层上。再在水平层上对反演得到的温盐进行最优插值，得到最后的温度、盐度分析场(代表性论文5)。

　　以上技术皆为难以复制的关键技术。

　　成果盈利性：

　　1.4盈利性

　　该南海海洋环境数值预报试验平台已多次为南海相关海洋调查、海洋作业航次提供大气产品指导，为气象保障工作提供服务，实现了对我国华南及南海区域大气与海洋状况实时短期(3天)和中期(15天)预报和预测，成功地预报了华南地区多个极端天气情况,极大地提高了海洋预报技术的水平。这对于提升我国对南海科学考察和研究的国际影响度，具有重大的科学意义。对于保障我国沿海地区居民生活安全、社会经济建设、国防军事设施与安全等均具有重大的作用。

　　成果持续性：

　　1.5持续性

　　本项目实施过程中形成了一支具有创新能力的技术队伍，并不断将国际上及研究团队形成的最新科研成果集成到南海海洋环境数值预报试验平台中。因此，平台的发展具有持续性。

　　成果先进性：

　　1.6先进性

　　从2010年9月初试运行以来，成功的预报了9月15-21日超强台风“凡亚比”的强度、移动路径、登陆地点及沿岸风暴潮增水，9月21日广东地区超200年一遇的特大降水灾害，2010年10月1-8日海南省超50年一遇的持续强降水灾害，尤其是提前两天准确预测了近50年来秋季西太平洋生成的最强台风“鮎鱼”的转向及登陆地点(图3)，并且在“鲶鱼”台风期间的水位预报也十分准确，水位预报值与中国科学院南海海洋研究所西沙站水文浮标观测值基本吻合(图4)。EPMEF提前三天准确预报出第11号台风“南玛都”在福建厦门和漳州一带登陆(图5)以及提前两天成功预报出“洛克”的逆时针打转然后北上的怪异路径(图6)。另外，图7给出平台与西沙站水位的在2011年10月前两周的对比情况，从图中可以看出与模拟和观测吻合较好。以上检验结果初步表明，EPMEF具对台风路径及风暴潮预报有较好的预报技巧。

　　进一步对比2012年所有经过EPMEF预报区域、生命期长于48小时的热带气旋预报效果(共有16个，如图8所示)。为了评价EPMEF对热带气旋路径的预报水平，将EPMEF预报的路径与在该区域主流的预报机构(美国、日本、中国和台湾地区)发布的预报路径进行了对比，并对比较结果进行评分。评分规则为：对于每个热带气旋取各机构(包括EPMEF)平均预报误差作为平均预报技巧，各机构的预报误差除以平均预报技巧，即取值小于1的为预报误差小于平均预报误差，大于1为预报误差大于平均预报误差。也就是说对于单个热带气旋，分数越低预报误差越小。然后对每个台风的评分求和，得到最终分数。最终分数从小到大进行排名。结果如表2所示，对于24和48小时预报，EPMEF的排名都是第一;对于72小时预报，EPMEF的排名为第三，NCEP的HWRF的排名为第一。这里需要指出，72小时预报结果的统计由于有四个热带气旋离开了EPMEF的范围故无法统计。但总体来说，预报平台对台风路径的预报结果可信，特别是前48小时的预报结果。其中路径预报较好(预报精度高于平均水平的)热带气旋为3,4,5,8,15,16,17,21,23,24(见表1)，共10个台风，即有一半热带气旋预报较好。而预报较差的台风只有2,9,10,22四个台风。图9给出201204号台风古超各机构和EPMEF 48小时路径预报误差对比情况。可以看出，EPMEF的预报结果是最好的，已经达到国际先进水平。

　　图8经过EPMEF生命期长于48小时的热带气旋路径

　　成熟度： 小批量

　　市场分析：

　　2.1市场分析

　　该平台技术较先进，功能强大具有良好的竞争力。主要面对有航海保障需求和预报需求的客户。采用软件产品的方式进行交易。

　　商业模式分析：

　　2.2商业模式分析

　　商业模式主要为完成单位形成技术产品，经客户需求及可视化调整后形成软件产品，并将产品安装与客户的计算服务器，而客户提供购置软件产品的资金。

　　营销状况：

　　2.3营销状况

　　试验平台为国家自然科学基金委及中国科学院资助的南海北部多次科学考察及印度洋首次科学考察提供气象水文保障服务，为顺利完成考察任务做出重要贡献。目前该试验平台已经在国家海洋环境预报中心进行准业务试运行，同时预报产品已在广东省气象台、三沙市和南海舰队推广应用，成为当地气象台预报员、西沙航运和旅游航线以及我军在南海日常训练气象水文保障的重要参考。

　　拟采取的转化方式： 合作研发;技术转让

　　应用推广的已投入情况： 50万元

　　资金需求额： 50万元

　　融资用途： 产品研发;市场开拓

　　核心管理团队人员情况：

　　核心管理团队人员情况

　　团队学术带头人彭世球，博士，研究员，博士生导师，中国科学院海外杰出人才“百人计划”入选者。2004年美国佛罗里达州立大学博士毕业，　2004-2009先后任北卡罗莱纳州立大学博士后副研究员、研究助理教授。主要从事海气相互作用、海洋和大气数值模拟及资料同化、中尺度动力过程及物理参数化等领域的研究工作，尤其是在“四维变分同法方法”(4DVAR)及共扼伴随技术领域有较深入研究。

　　主要学术成果有：发展了普林斯顿海洋模式(Princeton Ocean Model，简称POM)的三维切线性模式(TLM)和共轭伴随模式(Adjoint Model);建立一套基于POM及其共轭伴随模式的海洋资料四维变分同化系统(4DVAR)并成功应用于近海风暴潮的模拟和预报;提出“选尺度资料同化方法”　(Selective-scale Data Assimilation),并成功应用到区域气候模式的模拟和预报中;在数值模式及资料同化中对具有重要天气意义的中尺度重力波信号进行分离并强化;揭示了南海地区表层流的欧拉和拉格朗日统计特征，并阐明了南海区域水平扩散系数受西边界流与涡旋影响而呈现各向异性的变化规律;建成南海区域实时“海气浪数值预报试验平台”，成功地对南海海洋环境进行精细化的预测预报。

　　王东晓，男，1969年生，博士，研究员，博导。国家杰出青年基金获得者(2006)，2009年新世纪百千万人才工程国家级人选，享受国务院政府特殊津贴(2004年)。2007年获得广东省科学技术一等奖(第一获奖人)，2001年(第一获奖人)和2007年(第三获奖人)获国家海洋局海洋创新成果二等奖各一次。2009年获第十一届中国青年科技奖。带领团队积极开展海洋观测研究，曾7次担任南海航次首席科学家，主持建设了中国科学院西沙观测台站。与澳大利亚CSIRO、美国夏威夷大学等建立了协作关系。在国际研讨会上做邀请报告6次、曾担任7个分会主席。现任国际CLIVAR计划太平洋委员会委员，国际AMY计划观测协调组共同召集人，美国夏威夷大学IPRC兼职研究员，国际SCI刊物AEHM编委。2005年9月应邀担任了IPCC Working Group I的Expert Reviewer。应IAMAS和IAPSO邀请2003年和2007年两次(执笔)为中国IUGG国家报告撰写综述论文。发表SCI论文50多篇，培养研究生24名、博士后5名。目前作为责任研究员分别领导两个学科组，他们都具有市场导向思维也愿意与人分享研究成果;现有团队具有共同的理念并互相信任，合作愉快。