数值模拟中的大洋环流与海气相互作用课件

数值模拟中的大洋环流与海气相互作用欢迎来到数值模拟中的大洋环流与海气相互作用课程本课程将深入探讨海洋与大气之间复杂的相互作用机制，以及如何通过先进的数值模拟技术来理解和预测这些过程大洋环流作为地球气候系统的重要组成部分，不仅调节着全球热量分布，还影响着天气模式、渔业资源和人类生活环境通过数值模拟，我们能够揭示这些复杂系统的内在规律，为气候变化研究和环境保护提供科学依据在接下来的课程中，我们将从基础理论到前沿应用，系统地学习这一引人入胜的领域课程简介课程定位与重要性主要内容框架适用对象及学习目标本课程是海洋科学与气象学交叉的课程内容包括数值模拟基础理论、适合海洋科学、大气科学、环境科核心专业课程，旨在培养学生对海大洋环流动力学、海气相互作用机学等专业的高年级本科生和研究生气耦合系统的综合理解能力在制、耦合模型构建与应用、典型案学习通过本课程，学生将掌握海-全球气候变化背景下，理解海洋与例分析等模块，从理论到实践全面气系统的基本原理和数值模拟技-大气的相互作用对预测未来气候变覆盖相关领域的核心知识术，具备独立开展相关研究的基础化至关重要能力数值模拟基础理论数值模拟的定义与意义海洋气候系统研究中的作用/数值模拟是利用数学模型和计算机技术，通过求解控制方程对于大洋环流与气候系统这类大尺度、长时间的复杂系统，组来模拟物理系统行为的方法它将连续的物理过程转化为传统观测手段往往受到技术和成本限制，难以获得全面连续离散的数值问题，使我们能够在计算机中重现和预测复杂自的数据数值模拟则可以提供完整的四维（时间和空间）信然现象息在地球科学领域，数值模拟已成为继理论分析和实验观测之通过数值模拟，科学家们能够进行数值试验，探索不同因后的第三大研究方法，弥补了观测数据在时空上的局限性素对海洋和气候的影响，预测未来可能的演变路径，为政策制定和灾害预防提供科学依据数值模型基本原理控制方程（质量守恒）质量守恒方程描述流体质量的变化必须符合守恒定律在不可压缩流体假设下，它简化为连续性方程，表达为流体的速度散度为零，这是海洋模型的基础方程之一连续性方程∇•·v=0确保系统中物质总量保持不变•控制方程（动量守恒）动量守恒方程基于牛顿第二定律，描述流体粒子受力与加速度的关系在地球旋转坐标系中，需考虑科里奥利力、压力梯度力等方程组•Navier-Stokes地转平衡与风应力驱动•控制方程（能量守恒）能量守恒方程描述温度场的变化，涉及热量的平流、对流和扩散过程在海洋中，还需考虑盐度的影响，共同决定海水密度和稳定性温度方程与盐度方程•状态方程（密度与温盐关系）•离散化方法将连续的控制方程转化为可计算的离散形式是数值模拟的核心步骤常用方法包括有限差分法（适合规则网格）和有限体积法（适合不规则边界）时间离散显式隐式格式•/空间离散中心差分迎风格式•/常用数值格式显式与隐式差分立方格点、阿拉斯加型网格显式差分方案计算简单直接，未知量可直接由已知量显式表网格系统是海洋和大气模式中常用的空间离散化方Arakawa达但受条件限制，时间步长不能太大，否则会导致数案，根据变量的排布方式分为、、、、五种类型CFL AB CD E值不稳定显式格式适用于追求计算效率的情况其中型网格（速度分量位于标量网格边界）在海洋模式中C应用最广隐式差分方案则需要求解方程组，计算复杂度较高，但数值稳定性好，允许使用较大的时间步长对于刚性问题（如垂型网格有利于压力梯度和科里奥利项的计算，但在处理惯C直扩散）特别适用性重力波时需要特别注意型网格则在某些全球模式中应B用，所有变量都定义在网格点上在实际应用中，常采用混合格式，如海洋模式中水平方向用显式格式，垂直方向用隐式格式不同网格系统的选择需根据模拟目标、计算效率和准确性需求进行权衡网格与分辨率经纬网格是最传统的全球海洋模型网格系统，其优点是概念简单，易于实现然而，这种网格在极地区域会出现经线汇聚问题，导致计算不稳定或需要极小的时间步长为解决这一问题，现代海洋模型常采用曲率校正技术或替代网格系统如三极网格分辨率选择对模拟结果有决定性影响低分辨率模型（约°）计算效率高但无法解析中尺度涡旋；中等分辨率（约°）

10.25可捕捉主要涡旋特征；高分辨率模型（约°或更高）则能模拟次中尺度过程合理选择分辨率需权衡科学目标与计算资源

0.1模型边界条件封闭边界条件封闭边界表示流体不能穿越边界，通常用于陆地海洋界面或海底地形在数值上，一般通过设置法向速度为零来实现，-同时考虑切向速度的摩擦条件无滑移条件所有速度分量为零•自由滑移条件仅法向速度为零•开放边界条件开放边界允许流体和信息穿越计算域边界，常用于区域模型与外部海域的连接处设计合理的开放边界条件是区域模型的关键挑战辐射条件允许内部生成的波动传出边界•嵌套条件从较大尺度模型获取边界信息•周期边界条件周期边界条件将计算域的一侧与另一侧连接，使流体穿越一侧边界后从对侧重新进入这种条件常用于球面或通道流模拟纬向周期性东西方向连接•有助于保持模型的质量守恒•表面边界条件海表面是海气交换的关键界面，需要特殊处理这里施加的条件包括风应力、热通量和淡水通量，直接影响海洋的运-动和热盐结构风应力提供动量输入•热盐通量影响表层密度•/大洋环流简介风驱动环流上层大洋环流主要由风应力驱动，形成各大洋盆的亚热带环流和副极地环流在北半球，这些环流呈现顺时针方向，而南半球则为逆时针方向热盐驱动环流深层大洋环流主要由海水密度差异驱动，高纬度地区的冷却和盐度增加导致海水下沉，形成深层水团，推动全球传送带式的经向翻转环流主体流系分布主要洋流系统包括西边界流（如墨西哥湾流、黑潮）和东边界流（如加州寒流、秘鲁寒流）南大洋的环南极流则是地球上最强大的洋流，连接各大洋盆大洋环流系统的一号环流指的是由海表风场驱动的大尺度水平环流，包括亚热带和副极地环流圈这些环流在西边界形成强劲的洋流，如大西洋的湾流和太平洋的黑潮，它们对区域和全球气候都有显著影响此外，全球尺度的经向翻转环流（）通常被称为大洋传送带，它将表层水输送到深MOC海，再通过上升流返回表层，在全球热量传输和气候调节中扮演关键角色大洋环流动力学基础风应力驱动地转平衡风场通过摩擦力将动量传递给海表，是上大尺度流动中，科里奥利力与压力梯度力层海洋运动的主要能量来源近似平衡，形成地转流地形影响热盐驱动海底地形和陆地边界约束流动路径，影响海水温度和盐度差异产生密度梯度，驱动环流模式热盐环流风应力是大洋上层环流的主要驱动力全球风场分布赤道附近的信风、中纬度的西风和极地的东风形成了特定的风应力旋度模式，————进而驱动各大洋盆的环流系统风应力的季节变化和年际变化也直接影响海洋环流的强度和位置地转效应是理解大尺度海洋环流的关键在地球自转的影响下，自由运动的流体会受到科里奥利力的偏转，在北半球向右偏转，南半球向左偏转这种偏转使得大尺度海洋流动达到地转平衡状态，即压力梯度力与科里奥利力的近似平衡，形成沿等压线的流动层与上层环流Ekman表层风应力风力通过摩擦作用于海表，传递动量螺旋Ekman流向随深度变化，形成特征性螺旋结构输送Ekman净水平输送方向与风向成°角90上下翻升输送辐散辐合导致上升下沉流Ekman//理论是描述风驱动上层海洋运动的经典理论当风吹过海面时，由于地球自转产生的科里奥利力影响，表层水体的运动方向并不与风向一致在理想情Ekman况下，表面水流方向与风向成°角（北半球向右，南半球向左），随着深度增加，流向继续偏转并且流速减小，形成螺旋状结构45输送是层内水体的净输送，其方向与风向成°角这种输送在海洋环流中具有重要意义，特别是在引起上升流和下沉流方面例如，在副热Ekman Ekman90带高压区，风场辐合导致水体下沉，形成副热带辐合带；而在沿岸地区，平行于海岸线的风可能导致离岸或向岸的输送，引起沿岸上升流或下沉流Ekman关系与模型Sverdrup Stommel平衡模型Sverdrup Stommel关系是大洋环流理论的基石，由挪威海洋学家模型由美国海洋学家于年Sverdrup StommelHenry Stommel1948于年提出它描述了风应力旋度与提出，是第一个成功解释西边界流强化现象的理论模型Harald Sverdrup1947经向水体输送的平衡关系，是理解大尺度海洋环流的核心理引入了底摩擦和效应（科里奥利参数随纬度变化）Stommelβ论的考虑具体而言，关系表明南北方向（经向）的海水体Sverdrup积输送与风应力旋度成正比，比例系数涉及科里奥利参数的模型解析解表明，由于效应的存在，海洋环流在西边界区β变化率（效应）这一关系解释了为什么亚热带环流在西域显著增强，形成如湾流和黑潮等强劲西边界流这一理论β部更强，而东部相对较弱成功解释了大洋环流的不对称性特征，被认为是物理海洋学的重大突破关系的局限性在于它不适用于西边界区域，因为Sverdrup该理论忽略了摩擦作用这一缺陷后来由模型弥补模型虽然简化了许多物理过程，但其核心机制Stommel Stommel—效应导致的西向波传播至今仍是理解西边界流动力—β——学的基础Western BoundaryIntensification理论提出（年）和（年）先后提出解释西边界流强化的理论模型，Stommel1948Munk1950奠定了动力海洋学基础强调效应和底摩擦的作用，而则考虑了水平StommelβMunk涡黏性物理机制西边界流强化的本质是行星波（波）的西向传播特性效应（科里奥利参数随Rossbyβ纬度变化）使得扰动倾向于向西传播，能量在西边界区域累积，形成强劲的边界流实际表现西边界流如北大西洋的湾流、北太平洋的黑潮和南半球的巴西流、东澳大利亚流等，流速通常达，宽度约，远强于东边界流这些流系是海洋热量输50-150cm/s100km送的主要通道数值验证现代数值模型成功再现了西边界流强化现象，且与观测数据吻合良好高分辨率模拟进一步揭示了西边界流区域复杂的中尺度涡旋活动和流路变异热盐环流与深海环流表层水体变换温度和盐度变化影响海水密度深水形成高密度水体下沉至深层深层水体输送深海环流连接各大洋盆上升回流通过混合和上翻过程返回表层热盐环流是由海水温度和盐度差异引起的密度驱动环流，构成了全球海洋传送带这一环流系统始于北大西洋，那里的海水因冷却和蒸发变得高密度而下沉，形成北大西洋深水这些深水沿海底向南流动，经过南大洋后分支进入印度洋和太平洋，并在那里通过混合和上翻过程逐渐上升，最终通过表层环流回到北大西洋，完成循环北大西洋深水形成是全球热盐环流的关键环节在拉布拉多海和格陵兰海，强烈的冬季冷却和海冰形成过程增加了表层水的密度，引发对流混合，形成深达数千米的均匀水柱这一过程每年形成的深水量约为（），是维持全球经向翻转环流的主要动力源15-20Sv1Sv=10^6m³/s大洋环流的数值模拟历史年代11960-1970早期理想化模型出现，如模型（中尺度海洋动力学试验）开展，首次系统Bryan-Cox MODE研究中尺度过程计算能力有限，模型分辨率粗糙（约°），主要验证基本理论2-5年代21980-1990（世界海洋环流试验）推动全球海洋观测网建设和模型发展模型WOCE Semtner-Chervin实现全球°分辨率（海洋环流一般模型）系列开始应用于气候研究模型分辨率1/4OGCM提高到约°1年代32000-2010涡分辨率模型（°以上）开始运行、、等现代模型框架成熟1/10HYCOM MITgcmNEMO耦合模式广泛应用于气候变化研究和预报数据同化技术与海洋模型结合，提高预报精度年至今42010超高分辨率模型（°以上）可模拟次中尺度过程人工智能与传统数值模型结合多尺1/50度嵌套技术成熟，可同时模拟全球和区域过程地球系统模型整合生物地球化学过程小尺度环流过程中尺度涡旋次中尺度过程中尺度涡是海洋中的天气系统，典型次中尺度过程（公里）位于中尺1-10尺度为公里，持续时间为数周度和小尺度湍流之间，包括前锋不稳定、50-200至数月这些涡旋是海洋动能的主要载内部波和斜压不稳定等这些过程促进体，通过俘获和输送水团，在热量、盐了垂直混合和能量级联，对营养盐输送度和生物地球化学物质的传输中起关键和初级生产力有重要影响作用内部波与潮汐内部波是海洋分层界面上的波动，由风力、潮汐与地形相互作用等产生内潮汐作为一种特殊的内部波，是深海混合的主要能量来源，驱动了全球尺度的垂直环流小尺度环流过程在海洋能量分配中扮演着核心角色大尺度环流输入的能量通过中尺度涡旋向更小尺度级联，最终通过分子粘性和扩散耗散这种能量级联过程对维持海洋的热盐结构和环流模式至关重要随着计算能力的提升，现代高分辨率模型已能够部分解析这些小尺度过程然而，对于全球模式，许多次中尺度过程仍需通过参数化方案表达准确模拟这些过程及其与大尺度环流的相互作用，是当前海洋模拟研究的前沿领域之一海气相互作用基本概念动量交换热量交换风对海面的摩擦力传递动量，驱动海洋环流感热通量、潜热通量和辐射通量调节海气温度物质交换水汽交换气体（如₂、₂）和颗粒物在海气界面传输蒸发、降水和径流影响海洋盐度和淡水收支CO O海气相互作用是连接海洋和大气这两个地球流体圈层的关键过程，也是全球气候系统的核心环节海洋覆盖了地球表面约的面积，拥有巨大的热容量，71%存储并缓慢释放太阳能量，调节大气温度同时，大气通过风应力驱动海洋环流，通过热量和水汽交换影响海洋的热盐结构海气相互作用过程发生在多种时空尺度上从小时至日尺度的海气边界层交换，季节性的海洋混合层响应，年际至年代际的厄尔尼诺南方涛动（）ENSO和太平洋十年振荡（），直至更长时间尺度的气候变化理解这些过程对气候预测、极端天气事件预报和全球变化研究具有根本性意义PDO海表温度（）反馈SST初始异常SST由太阳辐射、海洋环流或大气强迫变化引起表层海水温度异常例如，热带太平洋东部的增暖可能是厄尔尼诺事件的早期信号大气响应异常改变海气界面热通量，影响近海面大气层结、气压场和风场暖SST SST区域上方往往伴随低压和辐合气流，增加对流活动和云覆盖反馈机制启动大气变化反过来影响，形成反馈循环这种反馈可能是正向的（放大初始SST扰动）或负向的（抑制初始扰动），决定了海气系统的稳定性远程影响通过大气桥或海洋波动，局地异常可影响远距离区域气候例如，热带太SST平洋异常通过大气遥相关影响北美天气模式SST表层气候场的变化风场响应降水与云系统气溶胶与烟雾海表温度（）梯度变化直接影响的变化直接影响大气对流活动和海气界面不仅交换热量和水汽，还包SST SST大气边界层的压力分布和风场结构降水模式暖区域上方，海面蒸括气溶胶和各种痕量气体海洋是重SST暖水区域上方空气上升，形成低压；发增强，水汽供应充足，有利于深对要的自然气溶胶源，特别是海盐气溶冷水区域上方空气下沉，形成高压流发展和降水形成反之，冷区胶和生物源硫化物（如二甲基硫）SST这种压力差异驱动表层风，而风场变域往往降水减少这种关系在热带表这些气溶胶作为云凝结核，影响云的化又反过来影响海洋，形成复杂的耦现尤为明显，在中高纬度则更为复杂微物理特性和降水效率合系统云系统对的响应具有多重效应在沿海工业区，人为气溶胶与海盐气SST在热带地区，这种机制尤为明显例一方面，云的遮挡减少太阳辐射到达溶胶相互作用，形成复杂的化学物理-如，厄尔尼诺期间，太平洋东部海面，形成负反馈；另一方面，云的过程这些过程影响局地辐射平衡和SST升高减弱了赤道太平洋的东西温度梯温室效应可增强对长波辐射的捕获，云特性，进而影响近海区域的气候度，导致信风减弱，进一步加强了形成正反馈这种复杂的云辐射反馈准确模拟这些气溶胶过程是海气耦合-异常，形成典型的正反馈是气候模拟中的主要不确定性来源模式面临的挑战之一SST（厄尔尼诺南方涛动）ENSO/机制ENSO海气正反馈系统与波动传播气候特征赤道太平洋温度异常与大气环流变化预测方法动力模型与统计模型结合全球影响通过大气遥相关影响全球天气气候厄尔尼诺南方涛动（）是热带太平洋区域最显著的年际气候变率模态，由热带太平洋海洋和全球大气环流的耦合振荡组成在正常状态下，太平洋东部-ENSO冷水上翻，西部形成暖池；而在厄尔尼诺状态，东部上翻减弱，海表温度升高，暖池东扩伴随这一变化，大气环流也发生调整，表现为南方涛动指数（衡量太平洋东西部气压差异）的变化的发展涉及复杂的海气正反馈过程反馈是其核心机制东部升高减弱赤道太平洋温度梯度，导致信风减弱，进一步抑制东部上翻，强化ENSO BjerknesSST异常同时，赤道波动（如波和波）在相位转换中起关键作用这些物理过程已在耦合模型中得到较好再现，使预测成为季节至SST Kelvin Rossby ENSO ENSO年际气候预测的成功案例与东西风爆发MJO形成1MJO振荡（）在印度洋赤道地区形成，表现为大尺度对流系统与Madden-Julian MJO异常环流场的耦合初始扰动可能来源于海洋热含量异常或大气内部动力学过程东传过程2以约的速度向东传播，穿越印度洋和西太平洋传播过程中，对流活跃MJO5m/s区与其前方异常下沉区和后方异常上升区形成完整的环流系统海洋响应3引起的风场变化通过改变海洋混合层动力学和热力学过程，影响海表温度和MJO上层热含量同时，激发下传的海洋波，进一步影响温跃层结构Kelvin气候影响4影响全球天气，包括亚洲季风、热带气旋生成、发展以及中高纬度天MJO ENSO气系统它是连接天气和气候预报的重要桥梁，具有周的可预测性2-4海气界面通量参数化动量通量热量通量动量通量表示大气向海洋传递的动量，海气间热量交换包括短波辐射、长波辐主要通过风应力实现其参数化通常采射、感热通量和潜热通量用体积输送系数法净辐射考虑太阳短波、反照率、•（其中为风应力，长波辐射与云影响•τ=ρₐ·Cᴅ·|U|·Uτ为空气密度，为拖曳系数，ρₐCᴅU感热与海气温差和风速相关，•SH为风速）=ρₐ·C·Cʜ·|U|·SST-Tₐₚ取决于风速、稳定度与海表粗糙•Cᴅ潜热与蒸发过程相关，•LH=ρₐ·L度ᵥ·Cₑ·|U|·qSST-qₐ常用参数化方案、•COARE Large等Pond淡水通量淡水通量影响海洋表层盐度和浮力，包括蒸发，与潜热通量直接相关•E=LH/ρw·Lᵥ降水需全球或区域大气模式提供•径流通常通过气候态数据或水文模型提供•海冰融化形成在高纬度区域尤为重要•/海洋混合层的变化天10-200m1-30混合层厚度响应时间海洋混合层厚度在全球范围内变化很大，从热带的几十混合层对大气强迫的响应时间从数小时（对于风应力）米到冬季极地区域的多米这种变化受到季节、纬到数周（对于热通量）不等这种不同的响应时间尺度200度和局地流动条件的强烈影响对海气耦合过程有重要影响~90%热吸收率混合层吸收约的入射太阳辐射，是海洋吸热的主要90%区域这种高效的热量吸收使混合层成为海洋与大气之间能量交换的关键界面海洋混合层是连接大气与深层海洋的关键界面，其厚度和特性直接影响海气相互作用的强度和效果混合层的形成主要受三种机制驱动风生混合、对流混合和湍流剪切风应力在海表产生湍流，向下传输动量；表面冷却导致表层水变得更重，引发对流混合；而垂直剪切流则通过流体不稳定性产生混合混合层厚度的季节变化显著影响海气相互作用夏季，强烈的太阳辐射加热表层水体，形成稳定层结，混合层较浅；冬季，表面冷却和强风混合导致混合层加深这种季节性变化直接影响海洋对大气强迫的响应灵敏度浅混合——层对大气变化响应更快，深混合层则有更大的热惯性准确模拟混合层动力学是海气耦合模型的关键挑战之一数值模拟中的海气反馈回路海洋状态变化表层温度、盐度、流场等海洋状态变量发生变化，通常由内部动力学过程或外部强迫引起界面通量调整海洋状态变化导致海气界面通量（热量、水汽、动量）调整，改变从海洋到大气的能量和质量输送大气环流响应大气对通量变化做出响应，表现为风场、气压、云量和降水等要素的调整，进而影响辐射平衡反馈作用完成变化后的大气状态反过来通过新的界面通量影响海洋，形成完整的反馈回路，可能放大或抑制初始变化海气反馈机制可分为正反馈和负反馈两类正反馈机制放大初始扰动，如经典的风蒸发反馈暖--SSTWES SST异常导致局地风速增加，增强蒸发和潜热损失，但如果增加的风场辐合导致的下沉减少超过蒸发冷却，则异常SST进一步增强厄尔尼诺发展中的反馈也是典型正反馈Bjerknes负反馈则抑制初始扰动，如辐射反馈暖异常增加向外长波辐射，冷却海表；或低云反馈暖SST-SST SST-SST异常可能增加低云量，减少到达海表的太阳辐射在耦合模型中，准确表达这些反馈过程对模拟海气系统变率至关重要，需要合理的时间步长和耦合频率设计数值耦合模型架构大气模块冰雪模块模拟大气环流、辐射传输和水文循环，计算传递给海洋的通量模拟海冰和陆地冰雪的形成、融典型模型包括、和化和动力学海冰是高纬度海气CAM ECHAM海洋模块等大气模块通常需要较短的交换的关键调节器，影响反照率IFS耦合器模拟海洋环流和热盐结构，提供时间步长（分钟级），是计算负和热通量典型模型包括、CICESST、海冰和表层流场等信息给担最重的组件LIM等负责协调各模块间的数据交换和其他模块典型模型包括、时间推进，进行必要的插值和守NEMO、和等海恒校正主要耦合框架包括POP MOMHYCOM洋模块通常运行在较长的时间步、和等，OASIS C-Coupler ESMF长上（小时级）支持并行计算和负载平衡1典型全球耦合模型介绍社区地球系统模式（）是由美国国家大气研究中心（）开发的全耦合气候模型它包含大气（）、海洋（）、CESM NCARCAM POP陆地（）、海冰（）和陆冰等组件，以及碳循环和大气化学模块以其全面的物理过程表达和灵活的分辨率配置闻名，CLM CICECESM被广泛应用于气候变化研究、古气候重建和季节性预测中国科学院大气物理研究所开发的灵活全球海洋大气陆地系统模式（）是我国自主研发的地球系统模式最新版本--FGOALS综合了海洋模式、大气模式和陆面过程模式该模型在模拟东亚季风、和全球气候FGOALS-g3LICOM3GAMIL3CAS-ESM ENSO变化方面表现出色，是我国参与国际气候模拟比较计划（）的主力模型其他国际知名的全球耦合模型还包括（美国地球CMIP GFDL流体动力学实验室）、（英国气象局哈德利中心）和（欧洲联合开发）等HadGEM EC-Earth区域海气耦合模型耦合系统区域模拟的优势与挑战ROMS-WRF区域海洋模拟系统（）与天气研究与预报模型（）区域耦合模型相比全球模型具有显著优势更高的空间分辨ROMS WRF的耦合是最常用的区域海气耦合平台之一采用地形率使其能够解析中小尺度过程；更灵活的参数化方案选择使ROMS跟随坐标系，适合模拟沿岸与陆架区域的复杂地形流动；其能够针对特定区域特点优化；计算资源需求较低，便于开则是一个先进的中尺度大气模式，具有多种物理参数化展敏感性试验和集合模拟WRF方案然而，区域模型也面临特殊挑战，如边界条件处理问题开这一耦合系统通常通过（海岸大气波浪泥沙输放边界需要全球模型或再分析数据提供驱动场，这些大尺度COAWST---运）框架实现，它不仅包含海洋和大气组件，还可选择性地信息与区域模型的内部动力学可能不一致此外，耦合频率包括波浪模型（）和泥沙输运模型该系统在模拟热的选择也很关键过低的频率可能错过关键的快速相互作SWAN——带气旋、海岸上升流和近海空气质量等方面表现出色用过程，而过高频率则增加计算负担预报与再分析系统短期预报天年际十年预测年1-10-1-10数值天气预报（）系统主要关注大气过程，海洋通常作为年际到十年尺度的预测利用海洋深层热含量的长期记忆效应和海NWP边界条件预报精度随着预报时长延长而迅速下降，天后通常盆尺度振荡模态完全耦合的地球系统模型，考虑海冰、土壤湿10接近气候态代表性系统、等度等缓慢变化组分国际协作框架近期十年预测试验ECMWF GFSCMIP次季节季节预报周个月气候预估年-2-610-100（次季节到季节）预报系统需要全耦合的海气模型，利用海长期气候变化预估主要关注人为强迫（如温室气体）的影响全S2S洋热惯性和模式中等复杂度的海洋模型与完整大气模型耦合，球耦合地球系统模型，包含碳循环和生态系统组件多种排放情重点捕捉、等大尺度信号代表性系统景下的集合模拟，评估不确定性范围代表性项目气候情ENSO MJONCEP IPCC、等景CFSv2BCC-CSM模型初始化与数据同化观测数据收集收集多源观测数据，包括卫星遥感（如海表高度、、海表风场）、浮标网络（如、SST Argo）、船舶观测和水下滑翔器等这些数据在时空覆盖上各有特点，需要统一TAO/TRITON质量控制和格式标准化处理数据同化执行将观测数据与模型背景场（前一时刻预报）结合，生成最优初始状态常用方法包括三维变分同化（）、四维变分同化（）、集合卡尔曼滤波（）和混3DVAR4DVAR EnKF合变分集合方法不同方法在计算复杂度和处理非线性问题的能力上各有优劣-平衡调整同化后的初始场可能存在动力不平衡，需要进行调整以避免初始震荡常用技术包括增量分析更新（）、数字滤波和强约束平衡关系这一步骤对季节和长期预IAU测尤为重要，以避免虚假气候信号模式积分与评估从同化后的初始场开始模式积分，生成预报产品通过与观测对比评估预报技巧，反馈优化同化策略这一循环过程持续改进，是现代预报系统的核心机制模型不确定性来源参数化方案不确定性次网格过程的简化表达引入系统性偏差数值算法不确定性离散化方法和计算精度引起的误差初值与边界条件不确定性观测稀缺与同化系统局限造成的误差未知的物理机制科学认知局限导致的模型缺陷参数化方案是模型不确定性的主要来源之一海洋模型中，垂直混合、潮汐混合和中尺度涡参数化等过程难以从第一性原理推导，依赖经验公式和参数调整不同参数化方案可能在特定区域或过程表现良好，但很难找到适用于全球所有情况的最佳方案参数敏感性分析和集合模拟是评估和减小这类不确定性的重要手段初值与边界条件的不确定性在不同预测时间尺度上影响不同短期预报主要受初值影响，随着预报时间延长，模型系统性偏差逐渐显现虽然数据同化技术可部分减小初值不确定性，但海洋观测的稀疏性（特别是深海和极地区域）仍是主要挑战此外，边界条件如河流径流、大气强迫场和海底地形数据的不确定性也会通过非线性过程放大，影响模拟结果网格分辨率与物理过程捕捉大气强迫场处理常用再分析数据时空插值技术通量计算方法大气再分析数据是驱动海洋模型的主要强迫场来再分析数据的网格与海洋模型网格通常不匹配，根据再分析的变量类型，通量计算方法可分为两源，常用的全球再分析数据集包括需要进行插值处理类再分析（空间分辨率约°，空间插值通常采用双线性插值或更高阶插直接通量法直接使用再分析提供的热通量、•NCEP/NCAR

2.5••年至今）值方法，在海陆边界需特殊处理淡水通量和动量通量1948（第五代再分析，空间分辨时间插值大气再分析数据通常为小时或体积通量法使用基本气象要素（风速、气•ERA5ECMWF•6•率约°，年至今）小时间隔，需插值到海洋模型时间步长温、湿度等）通过海气界面参数化公式计算

0.2519793通量（日本气象厅再分析，空间分辨率保持物理一致性如风应力与热通量在插值•JRA-55•约°，年至今）过程中保持能量守恒混合方法结合再分析通量和模型内部计算

0.51958•通量的优点（现代再分析，空间分辨•MERRA-2NASA率约°×°，年至今）

0.

50.6251980垂直混合对流参数化/型参数化方案垂直对流参数化与其他先进方案K KPP型方案是最基本的垂直混合参数化方法，海洋中的对流过程主要发生在表层冷却或（）K K-Profile ParameterizationKPP采用梯度扩散假设，通过涡扩散系数（）盐度增加导致静力不稳定时由于海洋模是一种广泛应用的综合性垂直混合参数化K表达湍流混合效果根据的确定方式，型的垂直分辨率有限，无法直接模拟小尺方案，它将混合层和海洋内部分开处理K又可分为常数方案、依赖于度对流过程，需要通过参数化方案表达在混合层内，考虑了风生混合、对流K RichardsonKPP数的方案和（湍流动能）方案和剪切不稳定性；在混合层以下，则主要K TKE常用的对流参数化方法包括对流调整法考虑内波剪切混合和双扩散过程（将不稳定水柱调整为中性状态）、增强常数方案最为简单，但无法反映湍流强扩散法（在不稳定区域显著增大垂直扩散其他先进参数化方案还包括K Mellor-度的空间变化；数方案考虑了系数）和非局地通量参数化（考虑远距离方案（基于湍流闭合理论）、通Richardson Yamada层结稳定性对混合的抑制，更加物理合理；垂直输送）这些方法各有优缺点，需根用海洋湍流模型（）和近年发展的GOTM而方案则通过求解湍流动能方程，能据模型性质和研究目标选择在高分辨率机器学习辅助参数化等这些方案在特定TKE更好地表达湍流的产生与耗散过程，是当模型中，有些参数化开始被直接数值模拟条件下各有优势，但没有一种方案能在所前最广泛应用的垂直混合方案之一替代有情况下都表现最佳，这也是海洋模型发展的持续挑战海洋顶底摩擦与潮汐底部边界层海底边界层是流体与固体海底接触的过渡区域，典型厚度为几十到几百米在这一区域，流体速度从海底的零值逐渐过渡到内部自由流动值，形成显著的剪切层这种剪切产生湍流混合，增强动量和物质的垂直交换底摩擦参数化由于海洋模型垂直分辨率有限，无法直接解析底边界层，通常采用底摩擦参数化常用的二次底摩擦律假设底应力与底层流速平方成正比，其中为拖曳系数可以是常数τ_b=ρC_D|u_b|u_b C_D C_D（），也可以是海底粗糙度和边界层厚度的函数~

0.0025潮汐能混合潮汐是海洋中重要的能量来源，全球约有潮汐能，其中约在近海和内部潮汐中耗散潮汐流

3.7TW1TW与海底地形相互作用产生强烈混合，对维持深层热盐环流至关重要近年研究表明，潮汐混合的空间分布对深海环流和水团特性有显著影响底摩擦对大尺度环流有重要影响在西边界流区域，底摩擦提供了必要的涡度耗散，平衡风应力输入；在大陆架区域，底摩擦控制了潮汐能的耗散率和混合效率准确表达底摩擦对模拟近底流和沉积物输运尤为重要现代海洋模型中，底摩擦系数的选择既需考虑物理合理性，也要权衡数值稳定性需求潮汐能对环流的影响主要通过两种方式直接混合和内部潮汐生成传统海洋环流模型往往忽略潮汐，但研究表明，加入潮汐参数化可显著改善深海水团特性和经向翻转环流的模拟先进的参数化方案（如方案）考虑St.Laurent了潮汐与地形相互作用产生的局地混合增强，进一步提高了模型性能在最新的高分辨率模型中，已开始直接包含潮汐强迫，实现潮汐与环流的耦合模拟海洋内部波与能量传递~200m~1cm/s典型波长典型振幅海洋内部波的水平波长从几百米到几十公里不等，内部波的流速振幅通常为几厘米每秒，看似微小，取决于层结强度和激发机制在温跃层强的区域，但因密度跃层处位移可达几十米，能量密度比表面内部波波长通常较短波大得多~

0.1TW全球能量内部波总能量估计约为太瓦，主要由潮汐

0.1-

0.2（约）和风场（约）输入，是维持

0.1TW

0.03TW深海混合的重要能量来源内部波是指发生在海洋密度分层界面的波动，与表面波相比，内部波能在海洋内部传播更远距离内部波的产生主要有三种机制潮汐流与海底地形相互作用（内潮汐）、风应力驱动的近惯性内波，以及流体不稳定性产生的自发内波其中，内潮汐是最重要的能量来源，特别是在海岭、海山等地形陡峭区域在数值模型中表达内部波面临多重挑战高频内波需要精细的时间步长和空间分辨率才能解析，这在全球模型中计算量过大因此，传统环流模型通常通过参数化方案表达内波混合效应典型方案如St.Laurent方案估计内潮汐产生量，并假设其中约能量在近场混合，剩余部分远场传播近年来，随着分辨率提30%高，一些区域模型已开始直接模拟内部波的产生和传播，为改进参数化提供依据热带环流与西太平洋暖池暖池结构与特性暖池动力学机制西太平洋暖池是地球表面最温暖的海洋区域，暖池的形成和维持涉及复杂的海气相互作用过表层温度常年超过°，覆盖面积约程信风在太平洋东部堆积暖水，西向赤道流28C1500万平方公里其垂直结构独特，具有浅而锐利和副热带辐合带下沉进一步增强热量累积同的温跃层和典型的屏障层（温跃层上方、盐时，强降水减小表层盐度，增强层结稳定性，跃层以下的层）抑制冷水上翻热含量巨大，相当于大气总热含量的数倍风应力、热通量和淡水通量共同调控••降水丰沛，表层盐度较低，形成显著盐跃屏障层减少热量垂直输送，维持高••SST层海洋动力学过程与热力学过程耦合•对流活动频繁，是全球大气热量和水汽的•主要源地暖池相互作用ENSO-暖池位置和强度的变化与紧密关联厄尔尼诺期间，暖池东移，区域缩小；拉尼娜期间，暖ENSO池西扩，面积增大这种变化通过改变大气对流和遥相关模态，影响全球气候暖池东界被称为对流跳跃线，对敏感•ENSO暖池热含量变化是预测的重要指标•ENSO暖池随全球变暖呈扩大趋势，影响特性•ENSO中高纬边界流与离岸输运西边界流特性路径变异强烈流速（）、窄幅宽度（11-2m/s50-多稳态模式、季节性摆动和年际变化）和深厚结构100km2气候影响离岸输运4海气热量交换、风暴轨迹调制和区域气候特征-3中尺度涡旋脱落、流路大弯曲和深层环流交换塑造西边界流系统如黑潮和湾流是大洋环流中能量最集中的流动系统，也是海气相互作用最强烈的区域之一这些强劲流系将低纬度暖水输送至中高纬度，每年输-送热量约，对调节全球热量平衡至关重要西边界流区域表现出强烈的温度梯度和频繁的中尺度涡旋活动，是海洋动能最集中的风暴轨道1-2PW边界流的离岸输运是连接沿岸水域与大洋内部的关键过程这一输运通过多种机制实现流路不稳定性引起的中尺度涡旋脱落；地形引导的流路大弯曲（如湾流的角和黑潮的第一弯曲）；以及深层环流与上层环流的垂直交换这些过程共同构成了营养盐、热量和溶解气体的横向输运通道，影响海洋生态系Gulf Stream统和碳循环准确模拟这些过程需要高分辨率（至少°）和合适的层结，是现代海洋模型的重点发展方向1/10大洋经向翻转环流（）MOC北大西洋深水形成南极底层水形成南大洋上升流在拉布拉多海和格陵兰海，强烈的冬季冷在南极威德尔海和罗斯海等区域，海冰形南大洋是连接各大洋盆的关键区域，强劲却和盐度增加导致表层水变得高密度，发成释放盐分，结合沿陆架的冷却，产生高西风驱动的环南极流以及伴随的埃克曼抽生深对流，形成北大西洋深水密度水下沉，形成南极底层水吸作用，促使深层水上升至表层这一过（）这一过程每年产生（）这是全球最重的水团，流程关闭了全球传送带循环，也是大洋碳NADW15-20AABW的深水，是维持全球热盐环流的主要动于大洋最深处的形成过程涉循环的重要环节准确模拟南大洋上升流Sv AABW动力源数值模拟这一过程需要准确表达及复杂的陆架陆坡相互作用，在全球模需要考虑中尺度涡参数化、混合层动力学-对流、海冰形成和北大西洋振荡等关键过型中难以准确表达，常需特殊参数化和南半球风场变化等因素程表层淡水输入的气候效应淡水通量来源海洋表层淡水输入主要来自四个途径降水、河流径流、冰川融水和海冰融化全球每年约有×的淡水通过这些途径进入海洋，其空间分布极不均匀热带地区降水占

4.510^16kg主导，中纬度大河径流显著，而极地区域海冰和冰川融化贡献增大海洋层结影响淡水输入减小表层海水密度，增强垂直层结稳定性这种加强的层结抑制垂直混合，减少深层营养盐向上输送，同时也隔离了表层与深层水体间的热量交换在北大西洋等关键区域，这可能减弱深水形成过程，影响全球热盐环流北极冰盖消融全球变暖背景下，北极冰盖加速消融，格陵兰冰盖年损失质量已超过这些淡水主200Gt要汇入北大西洋亚极地区域，显著影响局地密度场和环流数值模拟表明，如淡水输入持续增加，可能触发北大西洋经向翻转环流减弱甚至部分关闭，导致局地快速降温在数值模拟中，准确表达淡水输入及其效应面临多重挑战全球水文循环数据存在显著不确定性，特别是河流径流和冰川融水数据；表层淡水的混合扩散过程需要精细分辨率才能准确捕捉；而淡水输入的季节性和年际变化也需要高频强迫数据支持许多模型使用表面盐度恢复（）SSS restoring技术来修正淡水通量误差，但这可能掩盖重要的物理过程典型数值模拟案例一再现ENSO模型设置与参数选择1数值模拟通常采用全球耦合模式，关注热带太平洋区域表现关键参数包括大气对流参数化、海洋ENSO混合层方案和云辐射反馈处理模型分辨率在热带太平洋需足够精细（至少°）以捕捉赤道波动，垂-

0.5直方向则需在温跃层加密同时设置多组集合模拟以评估内部变率影响关键物理过程模拟2成功的模拟需要准确表达多种关键过程赤道太平洋风场反馈（反馈）；赤道ENSO-SST Bjerknes波和波的传播特性；温跃层深度与的关系；西太平洋暖池动力学；以及大气桥遥相关模KelvinRossbySST态模型对这些过程的敏感性测试表明，大气对流参数化和海洋混合层表达对特性影响最大ENSO模拟结果分析3先进耦合模型能较好再现的主要特征振荡周期（年）、振幅（区异常±ENSO2-7Niño

3.4SST

0.5-°）和空间模态然而，细节表现仍存在系统性偏差强度普遍偏弱；周期往往过于规律化；

2.5C ENSO暖事件与冷事件不对称性不足；与季节循环锁相关系模拟不佳这些偏差部分源于模型中云反馈和混合层过程表达不足未来改进方向4改进模拟的主要方向包括提高热带对流参数化物理基础；改进混合层和次表层过程表达；增强模ENSO型分辨率以直接解析中尺度过程；改进初始化策略提高预测技巧近期研究表明，加入热带大西洋和印度洋与的相互作用，能进一步提升模拟效果多模型集合方法仍是提高预测可靠性的有效手段ENSOENSO典型数值模拟案例二印度洋偶极子现象与特征模拟结果评估关键物理机制捕捉IOD印度洋偶极子（）是印度洋区域重要现代耦合气候模型对的模拟能力显著成功模拟需要准确表达多种海气相互IOD IOD IOD的年际变率模态，表现为印度洋西部与东提升，多数模型能再现其基本空间结构和作用过程其中，反馈是发Bjerknes IOD南部之间的反相变化正相位时，索季节发展特征然而，系统性偏差依然存展的核心机制东部冷异常引起东南信风SST马里沿岸异常增暖而印度尼西亚附近异常在模拟的强度普遍偏强；东部冷异增强，导致更强的上升流和温跃层抬升，IOD变冷；负相位则相反事件通常在夏常往往向西延伸过多；与的关联强进一步强化冷异常此外，赤道波动、海IOD ENSO季开始发展，秋季达到峰值，次年初消退度不一致；季节锁相和衰退过程模拟不佳洋次表层热力结构和表层热通量变化也是发展的关键环节IOD通过大气环流变化影响东非、印度和这些偏差主要源于模型中印度洋太平洋暖对比表明，那些能更准确模拟印度IOD-CMIP6东南亚的降水模式，与澳大利亚和东亚气池区域的系统性误差，特别是热带辐合带洋平均态温跃层结构、赤道风场季节变化候也密切相关正事件常与东非洪涝、位置和强度的偏差，以及印尼海域复杂通和热带对流参数化的模型，在模拟方IODIOD印度多雨和澳大利亚干旱同时发生道流的表达不足此外，印度洋次表层热面表现更好特别是，能够正确表达印尼IOD的变化还会通过改变印度太平洋暖池系含量的初始状态对发展也有重要影响，贯穿流（）和阿拉伯海上升流的模型，-IOD ITF统，间接影响发展但观测数据稀缺限制了模型改进空间型更为合理ENSO IOD典型数值模拟案例三西边界流系统高分辨率需求西边界流系统如黑潮、湾流的精确模拟要求模型具有足够高的空间分辨率，通常至少需要°（约）才能解析主体流动结构，而次中尺度过程模拟则需°以1/1010km1/30上的分辨率这类模拟计算量巨大，常需超级计算机支持关键动力过程成功的西边界流模拟需精确表达多种关键过程流路分离点位置及变率；中尺度涡旋的生成与脱落；流系的多稳态模式与跃变；垂直流动结构及深层流与上层流的相互作用；以及与沿岸流和周边环流的相互作用等与观测对比模拟结果主要与卫星高度计数据、表层漂流浮标和剖面对比验证最新的高分辨Argo率模拟（如、°和°）已能较好再现黑潮湾OFES2HYCOM1/12MIT-AER1/24/流的主体结构、强度变化和中尺度涡活动然而，分离点位置偏差和流路稳定性问题仍未完全解决海气相互作用影响研究表明，大气反馈对西边界流模拟至关重要高分辨率耦合模式能捕捉到海表温度梯度区的局地大气响应，改善流系路径和强度模拟中尺度海气相互作用对西边界流区域的降水、风场和热通量也有显著影响，这些特征在传统低分辨率模型中难以体现典型数值模拟案例四极端气候事件模拟热带气旋模拟1热带气旋高分辨率数值模拟需要以下网格10km风暴潮模拟2需要耦合海气浪模型与精细海岸地形--热浪事件模拟3关注大气阻塞与海洋热内容异常相互作用极端降水模拟水汽输送带与异常的耦合模拟SST热带气旋是检验海气耦合模型能力的重要案例传统低分辨率气候模型（以上）无法解析热带气旋结构，仅能模拟类风暴系统；中等分辨率模型（约）100km50km可模拟大尺度气旋特征但强度不足；而高分辨率模型（以下）才能较准确再现气旋强度和结构研究表明，海洋反馈对气旋强度演变至关重要，气旋引起的冷25km尾迹可通过负反馈限制气旋增强风暴潮模拟需要海洋大气浪耦合模型，特别需要精细的沿岸地形表达典型方法采用全球区域嵌套，全球模型提供大尺度背景，区域高分辨率模型（通常为非结---构化网格）准确解析局地地形影响和潮汐相互作用不确定性分析表明，风场和路径预测误差是风暴潮预报的主要不确定性来源，而不同海岸类型对模型敏感性也存在显著差异实际预报中，集合模拟和概率预报方法能有效表达预测不确定性范围现有数值模型面临的挑战物理过程参数化不足观测数据稀缺制约尽管计算能力不断提升，许多关键的海洋观测数据在时空覆盖上仍较为有小尺度过程仍无法在全球模型中直接限，特别是深海和极地地区这限制解析，如海洋中的次中尺度流动、内了模型初始化和验证的效果尽管部波混合和近惯性振荡等这些过程计划显著改善了上层海洋观测，Argo的参数化表达仍存在较大不确定性，但米以下数据仍极为稀少；沿2000对模拟结果产生系统性影响尤其是岸区域和边界流区精细观测网络不足；垂直混合参数化，对海洋热盐结构和关键通量直接观测也很有限这种数环流模式有决定性影响据稀缺性导致模型调试和评估困难模型偏差与误差传播海气耦合模型中的系统性偏差可通过正反馈机制放大，如偏差影响大气环流，进SST而改变风应力，再反馈影响海洋这种误差传播在热带地区尤为显著，导致赤道冷舌过强、双等典型问题模式气候漂移也限制了长期模拟效果，需要通过通量校ITCZ正等技术缓解，但这又可能掩盖重要的物理过程计算资源限制仍是高分辨率长期模拟的主要障碍全球涡旋解析模型（约°）单次百年量

0.1级积分需要数百万核时的计算资源，这限制了敏感性试验和集合模拟的规模存储和分析如此海量数据也构成挑战，需要开发新的数据压缩和在线分析技术新一代超算架构向异构计算迁移，要求模型代码重构以适应等新硬件，这也为模型开发带来额外复杂性GPU次中尺度过程与未来趋势前锋不稳定性次中尺度涡旋内波与湍流混合海洋前锋是温度、盐度或密度的强梯度区域，次中尺度涡旋是连接中尺度流动内部波是海洋中普遍存在的波动形式，在遇1-10km在尺度上表现出丰富的动力学特和湍流耗散的关键环节与中尺度涡相比，到地形或流场剪切时会破碎，产生湍流混合1-10km征前锋不稳定性包括斜压不稳定、对称不次中尺度涡生命周期更短数天至数周，但虽然单个内波破碎事件尺度很小米级，但稳定和混合层不稳定等，这些过程产生强烈数量更多、分布更广这些小尺度涡旋通过其累积效应对维持深层环流至关重要先进的垂直流，促进表层和次表层的物质交换俘获和输送垂直涡度，参与能量从大尺度到的大涡模拟技术能在小区域模拟这些LES高分辨率数值模拟表明，前锋区的小尺度的级联过程超高分辨率模拟过程，但在全球模型中仍需依赖参数化最~1km垂直速度可达天，显著影响营养盐发现，这些结构在混合层底部和新研究表明，结合机器学习的参数化方案可100m/~100m输送和初级生产力强流区尤为活跃，对混合层深度和热量收支能改善内波混合的表达效果有显著影响数据同化与人机协同前沿神经网络参数化辅助观测融合AI利用深度学习替代传统物理参数化方案智能算法改进多源异构数据整合质量智能模式诊断混合建模方法自动识别模式偏差根源与关键过程结合物理模型与数据驱动模型优势人工智能技术正深刻变革海洋数值模拟领域深度学习方法已成功应用于多种参数化改进，如利用高分辨率模拟结果训练神经网络，替代传统的次网格参数化方案这类数据驱动参数化在保持物理一致性的同时，显著提高了计算效率例如，针对海洋湍流混合和海气通量参数化的神经网络模型，已在多个全球模式中取得成功应用数据同化中的机器学习应用也取得突破性进展传统变分同化和集合方法计算量大且对模型误差假设敏感，而深度学习方法通过直接学习观测与模型状态之间的映射关系，可构建更有效的同化系统结合卷积神经网络和图网络的海洋数据同化框架已在区域预报中展示出优于传统方法的技巧，特别是在处理非高斯误差分布和强非线性系统时此外，基于强化学习的智能观测网络优化策略，也为提高同化效率提供了新途径多尺度耦合模拟的新方向全球统一框架统一构架整合多尺度过程嵌套网格技术2全球区域无缝衔接双向反馈-自适应网格动态调整分辨率捕捉关键流动多模型耦合专业模块集成优化各子系统表现多尺度耦合模拟是近年来海洋建模的重要发展方向，旨在同时捕捉全球大尺度环流和区域精细结构传统嵌套网格技术已发展为全双向耦合，允许精细区域信息反馈影响全球模拟更先进的自适应网格技术能根据流动特征动态调整局部分辨率，如在强梯度区域或活跃动力区自动加密网格非结构化网格模型如AMR、则通过三角形或六边形单元提供无缝的分辨率变化，避免了传统嵌套的边界问题FESOM MPAS多源观测融合是支持多尺度模拟的关键现代海洋观测系统包括全球卫星网络、自动剖面浮标、水下滑翔器和近海雷达等，这些系统提供从米到千公里不Argo同尺度的观测信息高效整合这些异构数据是当前挑战，新型数据融合算法如多尺度变分分析和贝叶斯层次模型显示出优势未来观测系统将更加智能化，通过自主调整观测策略，优化对关键过程的捕捉效率，为多尺度模型提供更精确的约束天气到气候一体化系统天气尺度时间范围数小时天-10关键过程大气动力学、云物理、边界层验证指标精确轨迹预报次季节尺度时间范围周个月2-2关键过程、热带波动、层结稳定度MJO验证指标异常模态准确性季节年际尺度-时间范围个月年3-2关键过程、、海洋热含量ENSO IOD验证指标年际信号捕捉能力十年世纪尺度-时间范围年2-100关键过程深海环流、碳循环、冰盖变化验证指标气候敏感性与变率天气到气候一体化系统是构建单一模型框架，实现从短期天气到长期气候变化的连续预测这种无缝隙预测理念已成为国际模式发展主流，主要大气海洋中心如、和英国气象局都在推进相关研究一体化系统的核心挑战在于协调不同时间尺度预测的需求天气预报关注初值问题和确定性路径，ECMWF NCEP而气候预测更关注平均态、变率模态和外强迫响应成功的一体化系统需要在模型复杂度、分辨率和集合规模间取得平衡实践表明，适度增加模型复杂度（如加入海冰、陆面和生物地球化学过程）可同时改善短期和长期预测能力；而集合预报和概率输出方法可有效表达预测的不确定性范围最新系统如的耦合模型和中国的ECMWF IFS-NEMO CMA已在业务中取得成功，在热带气旋、季风预测和预报中展现出优于传统分离系统的技巧GRAPES-LICOM ENSO全球变暖与大洋环流响应研究展望与发展建议学科交叉融合关键科学问题突破人才培养与团队建设未来海洋数值模拟研究将更加强调学科交叉融海洋模拟领域仍有多个亟待突破的科学问题发展复杂的海气耦合数值模拟系统需要多元-合，特别是与计算机科学、数学、生物地球化深海混合过程的定量表达、次中尺度动力学与化人才队伍既需要掌握海洋物理学和大气科学和生态学的深度结合新一代地球系统模型大尺度环流的相互作用、极地海冰海洋相互学基础理论的专业人才，也需要精通高性能计-需要整合更多组分和过程，包括海洋生物地球作用的机制、中高纬度海气反馈的非线性特算、数据科学和软件工程的技术人才建议在-化学循环、海洋生态系统动力学和沿海人类活征等，都需要协同理论研究、观测和高分辨率教育体系中强化跨学科培养，增加计算科学与动影响等这种融合需要建立跨学科团队和开模拟解决这些问题将显著提高我们对气候系地球科学的融合课程，鼓励软件开发与科学研发新的模型耦合框架统预测能力究并重的评价机制国际合作是推动海洋数值模拟发展的重要路径当前，多个国际计划如（气候变率与可预测性研究计划）、（耦合模式比较计划）和CLIVAR CMIPOceanPredict联盟为全球科学家提供了合作平台建议积极参与这些国际项目，贡献中国方案，同时加强区域合作，特别是在关键海域如南海、西北太平洋等开展联合研究总结与思考理论基础本课程系统介绍了数值模拟的基本原理，包括控制方程、离散化方法和边界条件处理等核心内容我们探讨了大洋环流的动力学基础，从理论到关系，再到西边界流Ekman Sverdrup强化机制，这些经典理论构成了理解全球海洋环流系统的基础框架耦合过程2海气相互作用是气候系统的核心环节，我们详细讨论了海气界面通量参数化、海洋混合层动力学和各类反馈机制和印度洋偶极子等典型耦合现象的数值模拟案例，展示了复杂ENSO海气系统的建模方法和技术挑战耦合模型架构设计反映了系统科学的整体观念实践应用现代海洋模拟已广泛应用于气候预测、海洋环境评估和极端事件模拟等领域我们分析了从天气到气候的无缝预测系统、数据同化技术和多尺度耦合方法，这些先进技术正在推动预测能力的持续提升全球变暖背景下大洋环流的响应模拟，为理解未来气候变化提供了科学依据未来展望4数值模拟面临参数化不足、观测数据稀缺和计算资源限制等挑战，但人工智能、超高分辨率模拟和新一代观测系统的发展，为解决这些问题带来希望未来研究将更加注重学科交叉融合，关注次中尺度过程、深海混合和极地变化等前沿科学问题，需要培养兼具理论基础和计算技能的复合型人才。