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廿年磨一劍 海上解方程

2021-09-28 10:55:10    來源: 中國自然資源報    作者:鄂歆奕 齊敏

不久前,自然資源部第一海洋研究所(以下簡稱海洋一所)自主研發的MASNUM海洋環流數值模式完成研發,已具備全球、重點海域以及近岸水文環境的模擬預測能力。該模式的建立歷時二十余年。這標志著我國在海洋數值模式發展和海洋環境預報方面取得新突破,對提升我國海洋自主創新科技實力具有重要意義。

在中國工程院院士、物理海洋學家、海洋工程環境專家袁業立看來,海洋運動可以用一組方程來描述,在計算機上求解這組方程,就可以解出海洋運動的具體情況,從而進行對海洋的預測。海洋數值模式就是通過建立大型計算機對數學模型的計算,實現對海洋運動和變化規律的模擬與預測,其實質是用數學和物理的方法解讀海洋。

三十余年來,海洋一所堅持發展自主海洋與氣候模式,至今已形成了包含海浪模式、潮汐潮流模式、海洋環流模式、浪—潮—流耦合模式以及地球系統模式等的自主海洋模式譜系。

自主可控海洋數值模式:降低混合層深度模擬偏差

模式發展是海洋科學系統工程,包括海洋科學、物理過程理解、計算數學、高效并行計算等的協調與配合。對海洋環境模擬與預報而言,海洋數值模式相當于工業的“芯片”,是國家海洋科技實力的綜合體現。

“MASNUM海洋環流數值模式是在原創海洋動力系統理論框架下發展的自主可控海洋數值模式。”海洋一所研究員喬方利介紹。

20世紀末,袁業立帶領研究組提出海洋動力系統概念,這是一種嶄新的物理海洋學研究基礎框架,主要包括具有確定性物理意義的運動類劃分和具有數學自洽性意義的運動類分解合成演算,并在此基礎上推演出多尺度運動間相互作用的現象認知和動力學解譯。

2004年,袁業立和喬方利發展了浪致混合理論,建立了國際首個海浪—環流耦合的數值模式,從物理本質上提升了環流模式對混合過程的刻畫能力,比原來模式模擬的上層海洋誤差減小80%以上。基于此,MASNUM研究組發展了海浪生湍流混合、海浪輸運通量剩余量、內潮生湍流混合、考慮層結的海洋內部混合等方案不斷進行海洋模式的優化改進,顯著提高了模式對上層海洋混合過程的刻畫能力,混合層深度模擬偏差大幅降低。

海洋一所助理研究員莊展鵬介紹,十多年前,袁業立帶領當時在海洋一所物理海洋室求學的他和韓磊等青年人,自主研發MASNUM海洋環流模式。2016年,首個版本研制成功,在湍流混合、斜壓梯度力計算、并行效率等方面與原有模式相比均有顯著提高。

模式應用:具備全球—區域—近岸海洋環境的模擬預測能力

莊展鵬和海洋一所副研究員韓磊向記者介紹了MASNUM海洋環流模式的3個應用案例。

——上層海洋混合優化方案可顯著提升海洋模式的模擬與預測能力。

莊展鵬介紹,以往海洋模式的研究對非破碎海浪、非破碎內波導致的湍流混合作用關注較少。

袁業立研究團隊通過推導簡約閉合湍流控制方程組,實現了對海洋動力系統數值模式體系湍流部分的精密科學描述,由此對MASNUM海洋環流模式進行優化改進,顯著提高了模式對上層海洋混合過程的刻畫能力,混合層深度模擬偏差大幅降低。

——基于自主MASNUM模式建立了中國近海風暴潮災害預測和評估模型。

莊展鵬介紹,當臺風、寒潮等極端天氣過程移近海岸時,風與氣壓的作用會使海水發生堆積進而漫過堤壩,形成風暴潮,導致沿海一帶遭受重大災害。

研究團隊基于自主研發的MASNUM海洋環流模式,準確模擬了多個典型臺風過程引起的風暴潮沿岸增水過程,與沿岸驗潮站觀測的水位資料基本一致。研究結合了自主研發的海浪數值模式,實現了對風暴潮、潮汐、近岸浪耦合作用下的沿岸增水的模擬,成功建立了中國近海風暴潮災害危險性評估模型。

——自主模式具備對黃海冷水團的準確模擬能力。

在黃海槽地形及其它熱力和動力因素的共同作用下,暖半年黃海海域出現冷水團。黃海冷水團的利用對于我國深海魚類養殖發展具有重要意義。

韓磊介紹,研發團隊采用MASNUM環流模式成功模擬了黃海冷水團這一特殊現象,并將模擬結果與海洋一所、韓國海洋研究與發展研究所于1996~1998年的黃海現場調查數據進行了對比,模擬的溫鹽結構與實測剖面幾乎一致,表明自主研發的MASNUM模式可準確刻畫出黃海冷水團的空間結構和時空變化特征。

研究團隊:潛心模式研究,傳承探索精神

發展自主海洋與氣候模式,海洋一所已堅持三十余年。

方國洪院士早在20世紀80年代就發展了自主潮汐潮流模式,20世紀90年代初袁業立院士就與國際同步自主發展了第三代海浪數值模式。2004年,海洋一所發展了國際首個海浪—環流耦合數值模式,2013年發展了國際首個包含海浪的地球系統模式,2017年又發展了國際首個包含海浪的臺風模式。

“上述模式的發展,不是模仿,是基于自主理論和系列核心技術突破,解決國際現有模式體系的重大瓶頸難題。”喬方利說。

目前,海洋一所海洋環流數值模式研究團隊共有40余人,其中工程院院士3人,研究員10余人,45歲以下科研人員約占90%,該團隊潛心突破國際海洋模式的瓶頸和難題。

在袁業立的帶領和指導下,研究團隊提出了黃海冷水團淺海非線性熱生環流模式,對我國海洋環流理論的發展產生了深刻影響;首先把非線性水波的研究和風成波機制的研究融為一體,為波浪動力研究指明了方向;在黑潮多核結構及其形成機制、黑潮兩翼運動不穩定性等方面做了多項開創性的工作;建立的破碎波統計模型和計算方法,已被世界許多海洋學家作為統計研究的基礎;發展了浪致混合理論,在國際上率先實質性地將海浪、潮流、環流在模式中耦合起來,推動建立了全球首個海浪—潮流—環流耦合模式,大幅提升了上層海洋混合層的模擬與預測能力……

近年來,在袁業立和喬方利指導下,研究團隊培養了一批優秀的青年科研人員。

莊展鵬師從袁業立,從物理機制層面提升了模式對上層海洋混合過程的刻畫能力;助理研究員肖斌潛心全球潮波數值模式、全球潮波—環流耦合海洋數值模式研發,作為核心成員參與了全球0.1°浪—潮—流耦合海洋數值模式及業務預報系統的發展;博士后陳勝從事海洋模式中海氣界面通量交換模型的研究,揭示了海浪調制風應力方向和大小的機理,為風應力的準確計算提供了新的技術途徑……

MASNUM海洋環流模式的自主研發是海洋一所海洋環流數值模式研究團隊自主模式發展的第一階段,預計在不遠的將來,研究團隊將會建立海洋動力系統框架下的湍流—波動—渦旋—環流數值模式體系,并通過海洋—氣象—陸面—海冰耦合實現更準確的模擬與預報,服務社會需求。

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