混合坐标大洋环流模式HYCOM及其研究进展.docx

混合坐标大洋环流模式HYCOM及其研究进展.docx

《混合坐标大洋环流模式HYCOM及其研究进展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《混合坐标大洋环流模式HYCOM及其研究进展.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

混合坐标大洋环流模式HYCOM及其研究进展

混合坐标大洋环流模式HYCOM及其研究进展

摘要：

传统单一坐标由于自身的优缺点，使得利用单一坐标的海洋模式的模拟效果受到了限制。

混合坐标的出现，正是为了综合z坐标、σ坐标、等密度坐标的优势并尝试解决这一难题而提出的重要手段。

本文基于美国海军研发的HYCOM模式以及挪威南森环境遥感中心改进的NERSC-HYCOM模式，针对当前HYCOM模式的应用现状进行了综述。

关键词：

HYCOM；NERSC-HYCOM；混合坐标

1引言

影响海上军事活动的海洋水文要素主要包括：

海浪、风暴潮、潮汐潮流、海流、海温、盐度、内波、水声、海冰等。

由于海洋环境资料获取困难，极大地制约了海洋水文预报水平，海洋水文预报主要依赖数值预报。

影响海浪、风暴潮、潮汐潮流的物理机制相对来说比较简单，它们的预报技术目前已很成熟，基本能够满足业务化应用的要求。

影响海流、海温、盐度的物理机制则要复杂很多，其预报难度也要大很多。

海流、海温、盐度预报又是开展内波、水声、海冰预报的基础。

此外，海洋中尺度现象对海洋动力环境、军事活动也有重要的影响，针对海洋中尺度现象的研究近年来越来越得到重视。

海洋中尺度现象主要包括中尺度涡、海温锋面、盐度锋面、跃层、上升流、内波等。

海洋中尺度现象预报水平也主要取决于海流、海温、盐度预报。

关于海流、海温、盐度数值预报的模式通常称为海洋（大洋）环流模式，它一直是海洋科学研究的核心问题。

本文主要介绍被美海军青睐的新一代混合坐标海洋环流模式HYCOM。

2混合坐标的提出及HYCOM模式简介

海洋环流数值模式从单一坐标到混合坐标、从二维模型到三维模型，数值模式的发展越来越快。

尽管单一坐标模式的应用比较广泛，但是国外的CHASSIGNETEP[1]进行的大洋环流比较试验表明，单一垂向坐标用来模拟海洋环流并不总是最佳选择，因此混合坐标的概念就被提出了。

考虑到海底复杂的地形，国内外很多学者都开展了多种混合坐标模式的研究工作，本文采用的HYCOM三坐标混合模式越来越受到重视，国内越来越多的学者也将其作为主流模式。

2.1标准版HYCOM

标准版的混合坐标大洋环流模式HYCOM[2][3]（HybridCoordinateOceanicCirculationModel）是在美国迈阿密大学原有等密度面海洋模式MICOM的基础上发展改进的新一代原始方程海洋环流模式（Halliwell，2004）。

模式的水平网格与MICOM一样采用C网格。

HYCOM模式[4]可以实现三种坐标的自适应，即在开放的、层结的海洋中垂直坐标取等密度坐标；在弱层结的上层海洋混合层中，垂直坐标平滑地过渡到z坐标；在浅水区域（地形变化强烈的海域），过渡到随底垂向坐标；而在更浅的海域坐标又过渡到z坐标。

混合坐标扩展了传统的等密度面坐标海洋模式的应用范围，弥补了MICOM数值模式在浅海海域垂向分层过薄的缺点（Wallcraft，2003）,使得模式的适应能力更好。

模式提供了两种边界条件[4]，一种是牛顿松弛边界条件，另一种为开边界条件。

HYCOM数值模式还提供了多种湍封闭方案[4]，来解决上混合层和层化相对较弱区域的跨等密度面混合问题。

如K-T（Kraus-Turner）,KPP（K-Profile-Parameterization）,PWP（Price-Weller-Pinkel），MY-2.5（Mellor-Yamadalevel2.5），GISS（NASAGoddardInstituteforSpaceStudieslevel2）（Large，eta1．，1994and1997；EricP，2003；HalliwellJr．，2004）方案，通过实验结果表明不同的方案在气候态的模拟中存在较大的差异，其中非局地KPP参数化方案、GISS湍封闭方案和MY湍封闭方案的模拟效果较好。

2.2NERSC-HYCOM

挪威版NERSC-HYCOM模式[5]是由挪威的南森环境遥感中心基于标准版HYCOM模式而改进的。

在网格选取上，为了使模拟区域网格加密，进行了正交投影坐标转换[6]；虽然该模式基于标准版但在嵌套、潮汐边界、海冰模式、强迫场的处理中采用了不同的方法；对于数据的读取而言，该模式可直接处理NETCDF格式数据，这就使得模式的操作较为简化；挪威版模式的开发为用户提供了一个更为友好的界面，大量的脚本使得用户不必深究模式代码却能较容易的建立模式；为了能够及时对新版本的模式代码做出相应的升级更新，由南森中心改进的代码已从HYCOM代码中单独分离出来。

NERSC-HYCOM模式现在的版本为2.2.37,现有的版本都是并行版本并被广泛用到海洋环境预报当中。

3垂向坐标的调整

3.1垂向坐标在开阔大洋的调整

3.3温、盐、密度及动量的调整

热力学变量以及动量的调整理论上必须遵守垂向平均值守恒、对于热力学变量应该尽可能的调整密度值与等密度参考值接近，HYCOM中提供的算法会按照上述两点原则将每个变量从原先的格点重新映射到新格点上。

模式中可以调整热力学变量中的任何两个并通过状态方程诊断出第三个量。

当采用混合坐标设置时，会分别在每个计算格点上进行调整，对于热力学变量会优先在气压格点上调整。

如果采用全K-T混合层方案，含有混合层底的模式层会被分为两个次层。

混合层基带会被暂时认作另一种垂向坐标，基带上下的两个次层也会被暂时看做两个模式层，在两个次层中的热力学变量会根据K-T方案中的非混合算法进行估算。

在进行垂向坐标调整之前，初始的一维温度、盐度、密度廓线以及一维层界面处压力数组会被储存。

一旦廓线数组被储存，在气压格点上的垂向坐标的垂向调整就开始进行，然后每个变量会被重新映射到新的垂向坐标上来。

下面用温度场来说明这种重新映射的关系：

其中在原始格点上的层界面处压力为（m取值范围为1，M）；对于新格点上的层界面处压力为（n取值范围为1，N），在这里N为模式的层数，现在讨论的情况中为M=N.需要指出的是，如果采用全K-T混合层方案，则用M=N+1来表示在含有混合层基带的模式层中的两个次层。

经过热力学变量调整后，动量部分将会进行调整以保证每个格点上的垂向平均动量的守恒，而通过压力格点获得的新旧垂向坐标会通过上述方程被依次差值到U、V格点上。

4HYCOM模式的研究进展

需要说明的是挪威版模式刚刚公开代码，因此国内外对NERSC-HYCOM模式的研究较少，下面的内容更多是基于标准版的，可以说随着标准版模式的升级，挪威版也相应做出了调整。

4.1模式可行性研究情况

在NRL（NavalResearchLaboratory）2009年的回顾报告中指出自从2006年基于HYCOM模式的第二代预报系统投入到运营后其预报能力通过了观测数据的测试证明该模式有效[9]。

4.2海气耦合应用

海气相互作用的深入研究使得大气与海洋模式、大气与海浪模式、甚至是大气、海浪以及大洋模式的耦合得到前所未有的发展。

早期的海流模式选用POM,但是HYCOM模式自身的优势以及POM模式本身发展的受限使得耦合模式的研究侧重点转移到了日渐成熟的HYCOM模式上面，HendrikL,Tolman[10]指出HYCOM模式代替传统的POM模式加入到与HWRF、WW3模式的耦合是完全可行的，而且在2011年他的团队提高了模式的并行效率；JohnMichalakes[11]对目前可用的耦合器ESMF,MCEL,MCT,HRFCoupler在WRF上的使用效率进行了对比，并详细给出了利用MCEL耦合器将HYCOM与WRF进行耦合的整套流程。

4.3国内外研究进展

国内外学者及相关研究机构利用模式研究了深海大洋、沿海和陆架海区等不同区域的水文特征并做了很多前瞻性的工作。

GeorgeHalliwell[12][13][14]在2002年率先利用HYCOM模式对美国西福罗里达州海岸的嵌套技术应用、垂向坐标选取及混合算法的应用进行了初步研究,并指出采用嵌套技术可以明显提高模拟能力，垂向坐标的选取及混合算法的选取对近岸区域的流场会产生一定的影响以及采用底部边界层参数化的KPP方案的有效性；GeorgeR.Halliwell[15]在2004年又对HYCOM模式的垂直混合层算法及垂向坐标进行了评估，得到不同的方案在气候态中存在较大的差异,其中非局地ＫＰＰ参数化方案、ＧＩＳＳ湍封闭方案和ＭＹ湍封闭方案的模拟结果较好，这为后来的研究奠定了基础；Hogan[16]在2006年针对已开展的HYCOM模式全球及近岸区域的嵌套试验指出了高分辨率嵌套试验能够提供较好的边界条件，准确的反应近岸的流场；CécileRenaudie[17]在2009年利用HYCOM模式就混合层的垂直分辨率的适应性进行了分析，指出通过对混合层的深度进行适当的定义去控制模式垂向坐标的尺度因子及分层虽然能够给出较为合理的垂向分辨率设置提高了模拟效果，但也指出该方法受混合层深度的定义、采用的强迫场的衰减率及边界条件因素影响较大；NinaGjerdeWinther[18]等人利用HYCOM模式在北海及丹麦的斯卡格拉克海峡进行了近岸垂向坐标敏感性试验，试验结果表明该模式不但可以用于准确描述深海大洋及海盆尺度的模拟，而且也可以用于沿海和陆架海区的模拟；ERICP.CHASSIGNET,LINDAT.SMITH,ANDGEORGER.HALLIWELL[19]利用HYCOM模式在大西洋区域分别探讨了垂向坐标、参考气压及温压效应对模拟结果的影响，结果指出HYCOM模式坐标选取具有相当的灵活性，研究的深度不同选用的参考气压不同以及模式中考虑温压效应会有效减小近表层及近底层的气压梯度力误差。

PatrickJ.Hogan[20]在NRL利用NCOM模式与HYCOM模式就近岸区域进行了高分辨率数值比较试验，指出了HYCOM模式的趋势是发展它的近岸模拟能力;白志鹏，高松等[21]利用HYCOM进行三重嵌套对黑潮的气候态进行了模拟，得出了高水平分辨率模式对黑潮特征量的模拟会有明显的改进；孙双文[22]等在2009年利用HYCOM模式对黑潮对中国近海热盐输运的季节和年际变化进行了研究并指出明，黑潮对东海的热量输运与该区域的海表面热通量是同量级的，且呈反向变化，热量输运冬季最大，夏季最小；朱江、谢基平[23]在2012年利用HYCOM模式的2.1及2.2版本对中国海区进行了以嵌套技术为基础的敏感性试验，明确指出了模拟中国海近岸及陆架海结构所需的条件为准确的风场、全球及局地的高分辨率地形数据、能够准确刻画出近岸射流与涡旋的高水平分辨率（1-3km）、包含潮汐过程的大洋模式。

Metzger[24]等给南海模式的使用提出了一个难题,他们利用NLOM模式对南海进行一系列模拟后认为,黑潮在吕宋海峡的路径模拟对吕宋海峡内的小岛屿和浅滩的表征极其敏感,水平分辨率至少需要达到1/16°才能保证模拟的黑潮平均路径和观测一致,然而整个南海区域均达到1/16°分辨率对计算资源的要求仍然过高，后经卢著敏,尚晓东,陈桂英[25]采用混合坐标模式（HYCOM）模拟南海环流得到即使0.2°的分辨率,ERA-15气候数据驱动的HYCOM模式对南海环流已经能够获得相当合理的结果,为未来建立基于HYCOM模式的南海预报系统奠定了坚实的基础。

5结论与展望

本文基于美国海军研发的HYCOM模式以及挪威南森环境遥感中心改进的NERSC-HYCOM模式，将国内外学者及相关研究机构利用该模式就深海大洋、沿海和陆架海区等不同区域所做的很多前瞻性的工作进行了总结。

可以看到HYCOM模式由于采用了三个坐标的混合，因此无论是作为大洋模式还是区域模式都有着较多的应用，更为重要的是国外的工作指出了HYCOM模式近岸模拟的可行性。

目前国内使用该模式的学者也越来越多，但国内的侧重点主要是大洋及深度较深的水域，对于近岸的模拟工作开展相对很少，而国外早已实现HYCOM模式的业务化运行并取得了很好的效果，为了弥补这一工作的空白应该利用HYCOM模式发展国内的近岸模式从而提高对近岸海域温、盐、流场的业务化保障能力。

参考文献：

[1]ChassignetE.P.,H.E.Hurlburt,O.M.Smedstad,etal.2006:

OceanPredictionwiththeHYbridCoordinateOceanModel（HYCOM）.In“OceanWeatherForecasting:

AnIntegratedViewofOceanography”,E.P.ChassignetandJ.Verron（Eds.）,Springer,413-426.

[2]郑沛楠.常用海洋数值模式简介[J],2008,25（4）:

108-120.

[3]郑沛楠.黑潮对日本海边界环流的影响[D].中国海洋大学博士论文,2009.

[4]郑沛楠，吴德馨，陈学恩等.基于HYCOM的风生大洋环流模拟及季节变化分析[J].中国海洋大学学报，2009，39

（1）:

7-12.

[5]NERSC-HYCOM2.2.Availableathttps:

//svn.nersc.no/hycom.

[6]于庆龙,王辉,万莉颖.南海海表温度时空分布特征的数值模拟[J].海洋预报,2010,27（4）:

59-66.

[7]Hycomuser’smanual.Availableathttp:

//panoramix.rsmas.miami.edu/hycom/documentation.html.

[8]RainerBleck.Anoceanicgeneralcirculationmodelframedinhybridisopycnic-Cartesiancoordinates[J].OceanModelling,2002,37:

55-88.

[9]E.J.Metzger,H.E.Hurlburt,A.J.Wallcraft.Predicting“OceanWeather”UsingtheHYbridCoordinateOceanModel（HYCOM）[J].Oceanscienceandtechnology,2009.

[10]HendrikL.Tolman．HYCOMandWAVEWATCHIIIforadvancinghurricaneGuidance[R]．MarineModelingandAnalysisBranch,2010,2.

[11]JohnMichalakes.CouplingWRFtoOtherModels[R].NREL,2010,6.

[12]GeorgeHalliwell.InitialProgressonHYCOMNestedWestFloridaShelfSimulations.Availableathttp:

//hycom.org/attachments/086_HYCOM-Halliwell.pdf.

[13]GeorgeHalliwell.SensitivityofWestFloridaShelfSimulationstoInitialandBoundaryConditionsProvidedbyHYCOMData-AssimilativeOceanHindcasts.Availableathttp:

//hycom.org/attachments/086_halliwell.pdf.

[14]GeorgeHalliwellEvaluationofHYCOMPerformanceontheWestFloridaShelf.Availableathttp:

//hycom.org/attachments/086_5_Halliwell.pdf.

[15]GeorgeR.Halliwell.EvaluationofverticalcoordinateandverticalmixingalgorithmsintheHybrid-CoordinateOcean.OceanModelling,2004,7:

285-322.

[16]Hogan.AnOverviewofNestedRegionsUsingHYCOM.

Availableathttp:

//hycom.org/attachments/086_Hogan.pdf.

[17]CécileRenaudie.AdaptationoftheverticalresolutioninthemixedlayerforHYCOM[J].OceanModelling.Volume30,Issues2-3,2009,178-189.

[18]NinaGjerdeWinther,GeirEvensen.AHybridCoordinateOceanModelforshelfseasimulation[J],2006,1:

221-237.

[19]Chassignet,E.P.,L.T.Smith,G.R.Halliwell,andR.Bleck,2003:

NorthAtlanticsimulationwiththeHYbridCoordinateOceanModel（HYCOM）:

Impactoftheverticalcoordinatechoice,referencedensityandthermobaricity.J.Phys.Oceanogr.,33,2504-2526.

[20]PatrickJ.Hogan,NestingstudieswithhycomatNRL.

Availableathttp:

//hycom.org/attachments/086_HYCOM-Hogan_1.pdf.

[21]白志鹏,高松,王海棠.HYCOM模式对东海黑潮的气候态模拟[J].海洋通报,2010,29

（2）:

121-129.

[22]孙双文,万彪.黑潮对中国近海热盐输运的季节和年际变化[J].华东师范大学学报（自然科学版）,2009（3）:

98-107.

[23]JiangZhu,JipingXie.ModellinganddataassimilationinmarginalseasaroundChina.Availableathttp:

//www.godae.org/...TT.../2.9-Zhu-Jiang-2012-Miami.pdf.

[24]METZGEREJ,HURLBURTHE.ThenondeterministicnatureofKuroshiopenetrationandeddysheddingintheSouthChinaSea[J].JPhysOceanogr,2001,31:

1712-1732.

[25]卢著敏,尚晓东,陈桂英.混合坐标模式HYCOM模拟COADS强迫下的南海平均环流[J].热带海洋学报,2008,27（4）.23-31.