大洋环流与海气相互作用数值模拟解析课件

大洋环流与海气相互作用数值模拟解析欢迎参加大洋环流与海气相互作用数值模拟解析课程本课程将系统探讨海洋环流系统及其与大气之间的复杂互动机制，深入分析数值模拟技术在理解这些关键地球系统过程中的应用在全球气候变化的背景下，理解海洋与大气之间的能量、动量和物质交换过程对于准确预测未来气候变化至关重要通过本课程，您将掌握先进的数值模拟方法，学习如何构建和应用海气耦合模式来研究这些复杂系统我们将从基础理论出发，逐步深入到前沿研究领域，帮助您建立完整的知识体系和实用技能，为您的科研工作提供坚实基础课程概述数值模拟重要性气候影响机制学习目标数值模拟已成为研究复杂海洋系统的关海洋与大气的相互作用是驱动全球气候通过本课程，学生将掌握海洋环流基础键工具，能够再现难以直接观测的海洋系统的核心机制，包括热量传输、水分理论、数值模拟技术和海气相互作用机过程，并预测未来变化趋势它弥补了循环和碳交换等过程，对厄尔尼诺、季制，能够独立设计模拟实验并解析复杂观测数据在时空上的局限性，为海洋环风等气候现象有决定性影响的海气系统行为流研究提供了强大支持本课程要求学生具备流体力学、热力学和计算方法的基础知识，将通过理论讲解与实际案例分析相结合的方式，深入浅出地介绍这一复杂而重要的研究领域第一部分大洋环流基础知识环流基本概念掌握大洋环流的基本定义与分类驱动力机制理解风应力与热盐差异的驱动作用垂直结构探索从表层到深层的环流特征动力学过程分析控制环流形成的物理定律在第一部分中，我们将建立对大洋环流系统的基础认识，包括其空间结构、成因机制和动力学特性这些知识将为后续深入探讨数值模拟方法奠定必要的理论基础通过系统学习，您将了解全球海洋环流如何影响地球气候系统和生态环境大洋环流概述全球大洋环流系统表层与深层环流多尺度结构全球大洋环流构成了一个复杂而相互连表层环流主要由风应力驱动，形成各大大洋环流呈现多尺度特性，从数千公里接的系统，横跨所有主要海盆这个系洋盆的环流系统，如北大西洋和北太平的大尺度环流、数百公里的中尺度涡，统由表层流、中层流和深层流组成，形洋的亚热带和副热带环流深层环流则到小尺度湍流，各尺度间存在复杂的能成三维立体结构环流强度和方向受地主要由密度差异驱动，形成经向翻转环量级联关系其中，中尺度涡作为海洋形、风场、密度场等多种因素影响，呈流，对全球热量和物质输送起关键作中最具能量的动力过程，在能量传递和现出明显的区域特性用物质输送中扮演关键角色理解大洋环流系统的完整结构是开展数值模拟的基础多尺度相互作用使得环流系统具有高度的非线性和复杂性，这也是数值模拟面临的主要挑战之一精确模拟这些过程需要先进的数值技术和充分的物理理解大洋环流驱动机制太阳辐射能量的根本来源风应力与密度差异直接驱动力地球自转与地形控制环流形态的基础条件风应力是表层环流的主要驱动力，通过直接动量输入产生海洋表面流动风场空间分布不均匀造成埃克曼输送和埃克曼抽吸，进而形成大尺度环流在中高纬度地区，风应力的旋度输入对西向强化的边界流形成尤为重要温度与盐度梯度驱动的热盐环流则控制着深层环流海水密度受温度和盐度共同影响，在极地区域，冷却和增盐过程使表层水下沉，启动全球传送带热盐环流的时间尺度长达数百至上千年，是长期气候变化的重要调节器地转平衡在大尺度环流中起主导作用，科氏力与压力梯度力的平衡决定了主要洋流的结构特征理解这些物理机制对构建准确的数值模型至关重要，能够正确再现环流的能量转换与维持过程大洋表层环流系统副热带环流受贸易风与西风带共同驱动，形成闭合环流西边界流强度大、宽度窄、速度快的特征流赤道流系统对跨洋盆热量输送与ENSO有关键影响季节性变化随季风和太阳辐射周期性变化北半球主要的西边界流包括墨西哥湾流和库罗西欧流，它们将大量热量从低纬输送到高纬，对调节区域气候具有重要作用湾流系统以其复杂的分支结构和强烈的中尺度活动著称，是海洋动力学研究的热点区域赤道流系统是海气相互作用最强烈的区域之一，包括赤道逆流、南北赤道流等多种流系这一系统对ENSO循环有决定性影响，通过调节太平洋暖池水体分布影响全球气候变率准确模拟赤道流系统的季节内变化和年际变化是预测ENSO的基础深层环流与经向翻转环流极地下沉深层输送高纬冷却形成深层水深层水向低纬度扩展表层回流上升过程表层水向极地输送通过混合回到上层经向翻转环流MOC是连接海洋表层和深层的传送带，北大西洋MOCAMOC是其中最强的分支在北大西洋拉布拉多海和格陵兰海，冬季强烈冷却和海冰形成使表层水密度增加，下沉形成北大西洋深层水，随后沿深层向南输送，并最终通过南大洋上升回到表层AMOC的强度对全球气候有显著影响，其变化可能导致欧洲气候急剧变冷近年研究表明，全球变暖可能减弱AMOC强度，数值模拟是预测这一变化的重要工具准确模拟MOC需要正确再现深水形成过程、溢流动力学和混合参数化，这些是海洋模式的关键挑战中尺度涡与混合过程中尺度涡特征能量传递作用中尺度涡是海洋中最具能量的运动形涡旋在海洋能量级联中起关键作用，将式，典型尺度为数十至数百公里，持续大尺度流场的能量向小尺度传递，最终时间为数周至数月它们主要通过斜压通过分子粘性耗散同时，涡旋也可以不稳定从大尺度环流中获取能量，在强通过逆级联过程向大尺度流场反馈能流区如西边界流附近最为活跃涡旋可量，影响大尺度环流结构这种双向能分为气旋式和反气旋式两类，具有不同量传递是海洋动力学的基本特征的热力和动力特性混合参数化由于计算资源限制，全球海洋模式往往无法直接解析中尺度涡，需要通过参数化方法表示其效应Gent-McWilliams参数化是最广泛使用的方案之一，它考虑涡旋引起的斜压输送效应近年来，基于涡动能的参数化方案和随机参数化方法也取得了显著进展精确模拟中尺度涡活动需要足够高的模式分辨率（通常为1/10°或更高）和合适的数值方案随着计算能力提升，涡解析模式已成为研究海洋动力学的重要工具，但全球长时间积分仍面临巨大挑战混合过程的准确参数化是提高模式性能的关键环节第二部分海气相互作用物理机制能量交换潜热、显热与辐射传输动量交换风应力与波浪形成水循环蒸发、降水与淡水通量气体交换二氧化碳等微量气体吸收与释放海气相互作用是连接海洋与大气两大流体系统的关键纽带，通过边界层过程实现能量、动量、水分和气体的交换这些交换过程具有多尺度特性，从分子尺度的气体扩散到行星尺度的遥相关现象，构成了复杂的海气耦合系统在不同时间尺度上，海气相互作用表现出不同特征从日尺度的海陆风环流，到季节尺度的季风变化，再到年代际尺度的气候振荡理解这些过程对于气候预测和全球变化研究至关重要本部分将系统介绍海气相互作用的基本物理机制，为后续数值模拟方法奠定理论基础海气相互作用概述全球气候系统海气相互作用的宏观表现区域尺度现象季风、ENSO等典型过程边界层过程能量、动量与物质交换的直接机制海气相互作用的核心区域是海-气边界层，大气边界层典型厚度为1-2公里，海洋混合层厚度为数十至数百米这一薄层区域是能量、动量和物质传递的关键区域，其物理特性直接影响交换效率海表面粗糙度、稳定度和湍流强度是决定交换过程的关键参数海气相互作用的强度存在显著的区域差异在热带地区，海气耦合最为强烈，表现为ENSO、MJO等现象；中纬度区域的暴风区也是强耦合区，对温带气旋发展有重要影响；极地区域的海冰过程则增加了耦合的复杂性这种空间非均匀性对模式设计提出了特殊要求时间尺度上，海气相互作用从天气尺度（日内至数日）到气候尺度（数十年至百年）均有表现短时间尺度过程主要影响天气预报，长时间尺度过程则与气候变化预测相关不同时间尺度过程间存在复杂的相互作用，增加了模拟难度海气热通量交换短波辐射太阳辐射提供基本能量输入长波辐射海表面红外辐射损失显热通量通过温度梯度传导热量潜热通量通过水汽相变释放能量海气热量交换是全球能量平衡的关键组成部分海洋吸收约60%的太阳短波辐射，并通过长波辐射、潜热和显热向大气释放能量潜热通量在热带和西边界流区最强，是热带气旋发展的主要能量来源显热通量则在冬季中高纬度冷空气爆发时达到峰值热通量的计算通常采用体量传输公式Bulk Formula，基于海-气界面的温度差、湿度差和风速准确确定传输系数是模式中的关键问题，特别是在强风条件下卫星遥感和现场观测表明，传统参数化方案在极端条件下可能存在系统性偏差，需要进一步改进海气动量交换风应力作用风应力是海气动量交换的主要形式，直接驱动海洋表层流动和波浪生成风应力大小取决于风速、海气温差和海面状态，通常用二次拖曳公式计算在强风条件下，风应力系数随风速增长的规律尚存争议波浪发展风生波是风向海洋输送动量的重要载体波浪的生成、成长和破碎过程影响动量在海气界面的传递效率发展中的波浪场对于动量通量的影响尚未完全纳入主流耦合模式风浪流耦合--表层流对风应力有反馈作用，特别是在强流区如西边界流和赤道流区考虑相对风风速减去流速对风应力计算的影响，对于准确模拟海气动量交换至关重要动量通量的参数化是海气耦合模式的核心组件之一传统方案主要基于Monin-Obukhov相似理论，考虑大气稳定度对动量传输的影响近年来，波龄、流-风相互作用等因素也被考虑加入参数化方案，以提高模拟精度在热带气旋等极端条件下，传统参数化方案可能失效，需要特殊处理淡水通量交换海气相互作用机制ENSO正常年1强信风，冷舌明显，暖池限于西太平洋厄尔尼诺发展期2信风减弱，暖水东扩，温跃层倾斜减弱厄尔尼诺成熟期3中东太平洋增暖显著，降水异常东移转换期4冷水下沉波东传，触发负反馈拉尼娜期5信风增强，冷舌增强，暖池西缩厄尔尼诺-南方振荡ENSO是热带太平洋海气系统最显著的年际变率模态，对全球气候有广泛影响Bjerknes反馈是ENSO发展的核心机制东太平洋增暖导致信风减弱，进一步加强增暖，形成正反馈循环这一正反馈需要负反馈机制才能形成完整的振荡现象ENSO的负反馈机制包括热带波动力学和充放电过程赤道Kelvin波和Rossby波的传播调节温跃层深度，影响海表温度；充放电理论强调暖池热含量积累与释放的循环过程这些机制共同决定了ENSO的时间尺度和强度特征季风系统中的海气相互作用亚洲季风系统是全球最强的季节性气候系统，其形成和变率与海洋条件密切相关夏季陆地快速增温形成热低压，与海洋温度差异驱动跨赤道气流，形成典型的季风环流印度洋、南海和西北太平洋的海温异常通过改变水汽输送路径，显著影响季风降水分布印度洋偶极子IOD是印度洋的主要年际变率模态，通过改变沃克环流影响季风系统正IOD事件时，东印度洋海温降低，西印度洋增暖，增强了索马里急流和向印度次大陆的水汽输送IOD与ENSO具有复杂的相互作用关系，共同调控亚洲季风变率第三部分数值模拟基础理论控制方程理解描述海洋运动的基本方程组，包括Navier-Stokes方程、连续性方程、热量方程和盐度方程等这些方程组成了海洋数值模式的数学基础，准确描述了流体运动规律和热盐变化过程离散化方法掌握将连续方程转换为离散格式的技术，包括有限差分、有限体积和有限元等方法离散化是数值模拟的核心步骤，直接影响模式的精度、稳定性和效率参数化技术学习表示次网格尺度过程的参数化方案，如湍流混合、对流调整等由于计算资源限制，无法直接模拟所有尺度过程，参数化成为弥补这一缺陷的重要手段耦合技术了解海气耦合模式的构建原理，包括通量交换、时间同步和守恒特性等关键问题耦合过程需要处理不同组分模式间的物理一致性和数值稳定性问题数值模拟是研究复杂地球系统的强大工具，但同时也面临诸多挑战，如数值稳定性、计算效率和误差积累等问题本部分将系统介绍数值模拟的基础理论，为实际应用奠定坚实基础海洋数值模拟基础方程动量方程热盐方程海洋动力学的核心是Navier-Stokes描述温度和盐度演变的方程包括平流方程，在地球旋转坐标系下需考虑科输送、扩散过程和源汇项热量方程氏力和离心力由于海洋水平尺度远需考虑短波辐射穿透、表面热通量和大于垂直尺度，通常采用静力近似，内部混合产热；盐度方程则关注表面形成原始方程组地转近似和浅水近淡水通量、海冰-海洋交换和内部混合似在特定条件下可进一步简化计算过程状态方程海水状态方程建立温度、盐度与密度间的关系，是连接动力学和热力学的桥梁国际海水状态方程TEOS-10提供了最新的标准计算方法，考虑了海水的非线性热膨胀和盐收缩特性，较旧的状态方程具有更高精度海洋模式的边界条件包括表面边界（与大气和海冰交换）、侧边界（陆地或开边界）和底部边界在耦合模式中，表面边界条件通过耦合器接收来自大气模式的通量；开边界条件处理则是区域模式的关键技术，通常采用辐射条件或嵌套方法离散化方法与数值方案有限差分方法有限体积方法时间积分格式有限差分是最早应用于海洋模拟的方有限体积方法基于控制体积上的积分形时间积分方法分为显式和隐式两大类法，将微分方程在结构化网格上用差分式，天然保持守恒性，能更好地处理非显式方法计算简单但受CFL条件限制；隐形式近似中心差分、迎风差分和TVD结构化网格该方法在不规则海岸线和式方法允许更大时间步长但每步计算成格式是常用的空间离散格式，各有优缺局部加密区域具有优势，被越来越多的本高海洋模式常采用分离技术，对不点有限差分方法简单高效，但在处理现代海洋模式采用流通量的重构方式同物理过程使用不同时间步长全隐格复杂边界和守恒性方面存在局限和黎曼解法是影响精度的关键因素式、半隐格式和分步法各有应用场景•易于实现，计算效率高•良好的守恒性•显式简单但步长受限•适用于规则几何形状•适应复杂几何边界•隐式稳定但计算复杂•守恒性需特别处理•支持非结构化网格•分裂方法平衡效率与稳定性数值方案的选择需权衡计算效率、数值精度、稳定性和物理保持性（如能量守恒）现代海洋模式多采用混合策略，如垂直方向隐式、水平方向显式的分裂方法，既保证稳定性又提高计算效率高阶格式能提高精度但可能引入非物理振荡，需谨慎选择网格系统与坐标选择水平网格布置垂直坐标系统特殊网格技术Arakawa网格是海洋模式常用的水平交错网格z坐标系统以深度为垂直坐标，概念简单但处理非结构化网格允许局部加密，优化计算资源分系统，其中C型网格在表示地转平衡方面具有优地形不连续，需采用阶梯状表示地形σ坐标配，适应复杂海岸线，但计算量和实现复杂度势，被MOM、NEMO等主流模式采用B型网系统沿地形平滑变化，适合表现底边界过程，增加三极网格解决了传统经纬度网格在极点格在处理极点奇异性方面有优势，适用于全球但在陡峭地形处可能产生压力梯度误差混合的奇异性问题，广泛应用于全球海洋模式曲冰盖模拟非交错网格在频散特性和计算效率坐标系统结合多种坐标优点，如HYCOM模式线坐标系可使网格线沿海岸或主要流动方向分方面各有权衡采用的同密度-σ-z混合坐标布，提高模拟效果网格系统的选择直接影响模式的计算效率、数值精度和适用范围随着计算技术发展，更复杂的网格系统如非结构化网格和自适应网格技术逐渐普及，但也带来更复杂的数值方法和并行计算挑战未来网格技术将更注重多尺度过程的高效模拟参数化方案概述湍流混合对流过程表示小尺度湍流输运效应处理静力不稳定状态内波过程中尺度涡内部波动破碎与混合表示未解析涡旋输运海洋模式中的参数化方案旨在表示无法直接解析的次网格尺度过程垂直混合参数化是关键环节，PP模型、MY模型和KPP方案是常用的选择KPP方案基于边界层理论，考虑风生混合、对流和内部波破碎等多种过程，在再现混合层深度季节变化方面表现良好近年来，基于湍流闭合理论的参数化方案也取得显著进展水平方向的参数化主要关注中尺度涡的输运效应Gent-McWilliams方案是最广泛应用的涡参数化方法，通过添加涡致速度表示斜压涡旋输运最新发展趋势是发展依赖流场状态的动态参数化方案，如基于涡动能的参数调整方法，能更好地适应不同区域的涡活动特征对流调整是处理静力不稳定的重要过程传统方法采用瞬时完全混合，新方法则考虑对流发展时间，采用更物理的对流参数化表述底边界层和陆架过程的参数化也是近年研究热点，对于准确模拟深水形成和陆架-深海交换至关重要大气环流模式基础动力学核心求解描述大气运动的基本方程组物理过程参数化辐射、云、降水等过程边界条件处理与下垫面的相互作用数值方法高效求解方程的计算技术大气环流模式是海气耦合系统的关键组成部分，其基本方程包括动量守恒、质量守恒、能量守恒和水汽守恒方程与海洋模式不同，大气模式更多采用谱方法和半隐式时间积分方案，以处理大气中的快速传播波动静力原始方程是当前业务预报和气候模拟的主流选择，非静力模式则用于高分辨率区域模拟大气物理过程参数化是模式性能的关键决定因素云和降水过程参数化直接影响辐射平衡和潜热释放，进而影响大尺度环流行星边界层参数化决定了与海洋的通量交换效率随着分辨率提高，积云对流参数化面临灰区问题，需要新的尺度自适应方案辐射传输计算是计算密集型过程，通常采用简化方案提高效率海气耦合模式设计耦合策略选择通量交换与守恒耦合策略包括同步耦合和异步耦合同步耦合在每个耦合器设计海气间的通量交换包括动量、热量和淡水通量，必须耦合时间步内完成所有组分模式的计算，物理一致性耦合器是连接海洋、大气、海冰等组分模式的核心框满足物理守恒性插值过程中的守恒处理是关键技好但等待开销大；异步耦合允许不同组分模式独立推架，负责协调不同组分模式间的信息交换、时间同步术，特别是在海陆分布不同的网格间通量调整和偏进，效率高但可能引入时间不一致耦合频率的选择和状态维护现代耦合器如OASIS、MCT和ESMF提差校正在某些应用中使用，但可能破坏物理一致性，需平衡计算效率和物理准确性供了灵活的接口定义和高效的并行通讯能力，支持不需谨慎应用同空间分辨率和时间步长的模式组件间的交互耦合模式初始化是一个复杂问题，直接耦合可能导致耦合休克常用的技术包括分量模式单独调试、逐步引入耦合过程和使用通量校正最新研究表明，初始化技术对模式平衡态和预测技能有显著影响，特别是在十年尺度预测中随着耦合组分增加，耦合技术面临更大挑战，需要更智能的耦合框架设计第四部分主要海洋与海气耦合模式海洋和海气耦合模式经过数十年发展，已形成多个成熟的模式系统，各具特色和适用范围全球海洋环流模式OGCM如MOM、NEMO等专注于海洋动力学模拟；地球系统模式如CESM、GFDL-ESM等则整合了海洋、大气、陆地、海冰甚至生物地球化学过程，用于全面的气候系统研究本部分将系统介绍主要海洋模式和海气耦合模式的结构特点、科学设计理念、技术实现和应用范围，帮助读者了解不同模式的优势和局限性我们将特别关注模式间的比较和互补性，以及它们在科学研究和业务应用中的表现掌握这些知识将有助于为特定研究选择合适的模式工具模式家族OGCM模块化海洋模型欧洲海洋模拟核心区域海洋模拟系统MOMNEMOROMS由GFDL开发的模块化海洋模型，采用垂直z坐由欧洲多国联合开发的海洋平台，包括OPA专为区域高分辨率应用设计的σ坐标模式，具标和Arakawa B/C网格，具有完善的物理过海洋、LIM海冰和TOP生物地球化学三有先进的湍流闭合方案和开边界处理技术广程库和灵活的配置选项MOM6是最新版个主要组件采用三极ORCA网格解决了极点泛应用于沿海、陆架和上升流系统研究，支持本，引入了ALE垂直坐标技术，提高了模拟地奇异性问题，在欧洲气候模式和业务预报中广生物地球化学模块和沉积物输运模拟，在海洋形流的能力，并重构了代码架构，提升了并行泛应用最新版本强化了非结构化网格支持生态学研究中有广泛应用效率和可扩展性不同OGCM模式各有技术特点和适用范围MOM模式在气候研究领域应用最广；NEMO在欧洲业务预报系统中占主导地位；ROMS则在区域过程研究中表现突出模式间的比较与验证是海洋建模社区的持续工作，旨在识别不同模式的共性问题和独特优势，推动模式整体进步近年来OGCM发展趋势包括提高分辨率以直接解析中尺度过程；改进参数化方案以更准确表示小尺度混合；增强与生物地球化学模块的耦合；发展数据同化能力以更好利用观测数据各模式均在朝这些方向努力，但技术路线和实现方式存在差异与混合坐标模式HYCOM混合坐标理念技术特点HYCOM HYbridCoordinate OceanModel是一种创新的混合坐HYCOM的核心技术在于平滑的坐标转换算法，能够根据流场和层化标海洋模式，结合了不同垂直坐标系统的优势在表层采用压力类条件动态调整坐标类型该模式使用半拉格朗日垂直坐标系统，结合似z坐标以精确表示混合层动力学；内部使用等密度坐标以准确再现增强版动量方程保持一致性水平方向采用Arakawa C网格，支持水团运动和热盐结构；近底层使用地形跟随σ坐标以更好模拟地形曲线正交坐标和通用曲线坐标引导流HYCOM特别注重高效的风混合层参数化和热带上混合层过程，采用这种混合设计克服了单一坐标系统的局限性z坐标在处理陡峭地形改进的KPP或MY方案处理垂直混合模式还包含先进的数值方案以时表现不佳，等密度坐标在混合层和浅水区域存在困难，σ坐标在陡确保能量守恒和水团特性保持峭地形处有压力梯度误差问题HYCOM在海军业务海洋预报中有广泛应用，特别是美国海军的全球HYCOM/NCODA系统，提供全球1/12°分辨率的预报该系统对湾流等西边界流的预测技巧较高，对涡旋路径和强度的模拟能力突出在气候研究中，HYCOM作为GFDL CM4气候模式的海洋组件，在再现AMOC结构和变率方面表现优异未来HYCOM发展着重于进一步提高分辨率至全球1/25°，改进亚中尺度过程参数化，增强极地区域和近岸过程模拟能力，以及与海冰和生物地球化学模型的紧密耦合关键挑战包括优化计算效率和改进数据同化系统以更好整合卫星和Argo观测数据与全耦合地球系统模式CESM海洋组件大气组件陆地与冰冻圈CESM采用POP2最新版本引入CAM6是最新的大气组件，采用有限CLM5陆面模式和CICE6海冰模式共同MOM6作为海洋组件，提供全球1°标体积动力核心和谱元动力核心两种选模拟陆地和冰冻圈过程CLM包含详准分辨率和

0.1°高分辨率配置海洋择，支持从1°到

0.25°的多种分辨率细的水文、植被和土壤过程；CICE提模块包含完整的热盐动力学过程和先包含全面的物理过程库，如云微物供多种海冰动力学和热力学选项，支进的混合参数化方案，能够准确再现理、对流参数化、辐射传输和边界层持多冰厚类分布全球环流结构和水团分布过程生物地球化学CESM包含海洋MARBL和陆地CTSM生物地球化学模块，能模拟碳氮循环、生态系统动态和大气化学过程，支持地球系统与生物圈互动研究CESM的核心是其耦合器，采用CPL7架构实现各组件间的高效通信和协调耦合器负责处理不同分辨率网格间的插值、保证通量守恒和时间同步CESM支持多种耦合配置，从全耦合地球系统模式到单组件驱动模式，灵活满足不同研究需求CESM在CMIP气候模拟评估中表现优异，特别是在再现ENSO变率、季风系统和气候敏感度方面最新版本CESM2改进了云物理和气溶胶处理，提升了高分辨率模拟能力，并增强了与人类活动组件的耦合，支持综合的地球系统变化研究和碳循环反馈分析区域海气耦合模式系统WRF-ROMS结合WRF大气模式和ROMS海洋模式的区域耦合系统，广泛应用于沿海天气、热带气旋和季风研究双方均采用地形跟随坐标系，有利于高分辨率地形处理耦合通常通框架过MCT或ESMF实现，支持多种物理过程选项和嵌套网格配置2COAWST集成了WRF、ROMS、SWAN波浪和CICE海冰的多组分耦合系统，通过ESMF统一管理组件间通量交换特别强调波浪-流相互作用和沉积物输运过程，适用于近岸环RegCM-ROMS境和飓风等极端事件研究支持多层嵌套和移动网格技术由ICTP开发的区域气候耦合系统，专注于气候尺度模拟，包含详细的陆面过程和气溶胶模块该系统在季风区域气候研究和气候变化区域影响评估中表现出色，支持季节至多年尺度模拟区域海气耦合模式在处理边界条件方面有特殊挑战侧边界通常来自全球模式或再分析数据，通过单向或双向嵌套提供驱动边界处理技术包括辐射边界条件、海绵层和流放松区，关键是减少边界噪声并保持物理一致性最新发展是考虑大尺度与区域尺度相互作用的尺度敏感参数化方案区域耦合模式的优势在于能以较低计算成本实现高分辨率模拟，捕捉局地过程和极端事件应用领域包括沿海风暴模拟、上升流系统研究、区域气候变化评估和气候服务未来发展方向是提高复杂地形处理能力、增强生物地球化学过程耦合和发展城市-大气-海洋多尺度耦合框架高分辨率海洋模式MPAS-Ocean MITgcm采用六边形Voronoi网格的非结构化海洋模麻省理工学院开发的通用环流模式，采用有限式，能够在关键区域实现局部加密而保持全球体积方法和非结构化网格技术，能够模拟从全无缝覆盖使用C型变量排布和水平/垂直混合球尺度到局地过程的广泛现象支持自适应网坐标技术，在保持计算效率的同时提高模拟精格细化AMR技术，可在模拟过程中动态调整度其独特网格具有优异的波传播特性和守恒分辨率，使计算资源集中在最需要的区域在性，特别适合长时间气候模拟中尺度涡和边界流模拟方面表现出色加速技术GPU新一代海洋模式开始利用GPU并行计算能力显著提升计算速度NEMO-GPU和POM-GPU等项目通过重构核心算法以适应GPU架构，实现10-50倍加速这使得长期运行全球

0.1°甚至

0.05°分辨率模拟成为可能，为研究海洋中尺度与亚中尺度相互作用提供了新工具超高分辨率模拟面临多重计算挑战，包括数据量激增、负载平衡、I/O瓶颈和分析可视化难题近年来采取的解决方案包括混合精度计算、在线数据压缩、流式I/O和原位分析技术大型模拟项目通常需要专门设计的工作流管理系统，协调计算、存储和分析环节高分辨率模拟取得的科学突破包括揭示亚中尺度过程对热量垂直输送的关键作用；发现西边界流区域新的能量传递机制；阐明浑沌型海洋过程的可预报性限制随着百亿网格点规模的模拟常态化，海洋模式正进入真正解析多尺度相互作用的新阶段，为理解海洋在气候系统中的角色提供了前所未有的机会数据同化技术卡尔曼滤波基于最优估计理论集合方法使用多组模拟估计误差变分同化通过优化控制变量混合方法结合多种技术优势数据同化是将观测数据与数值模式结合的科学方法，旨在获得对海洋状态的最优估计对于海洋环流研究，同化技术能够提高初始场质量、改进模式参数化和产生用于分析的高质量再分析数据集主要同化方法包括最优插值、三维/四维变分同化、卡尔曼滤波及其集合形式、粒子滤波等，各有计算复杂度和适用场景现代海洋同化系统主要同化卫星高度计、海表温度、Argo剖面和卫星盐度等观测数据GODAS、ECCO、HYCOM/NCODA和Mercator系统是代表性全球海洋同化系统，广泛应用于业务预报和研究领域同化系统面临的主要挑战包括观测覆盖不均、模式系统性偏差、背景误差表征不足和计算资源限制最新研究方向是发展高分辨率集合同化技术、改进偏差校正方法和探索机器学习辅助同化技术第五部分模拟实验设计与分析方法实验设计制定科学问题导向的模拟方案模拟执行配置模式并进行计算结果分析应用诊断工具揭示物理机制验证评估与观测比较并评估性能科学严谨的实验设计是海洋模拟研究的基础良好的实验设计应基于明确的科学问题，合理设置控制变量和试验组，考虑模式初始化和自旋过程，并规划适当的敏感性测试本部分将系统介绍模拟实验设计方法学，包括理想实验与现实实验、敏感性分析、集合实验等多种实验策略同样重要的是模拟结果的分析方法海洋模拟产生的大量复杂数据需要先进的分析技术才能揭示其中的科学机制我们将介绍从传统的统计分析、频谱分析到现代的复杂网络分析、机器学习辅助分析等多种技术，帮助读者全面掌握海洋模拟数据分析的工具和方法，有效挖掘数据中蕴含的科学信息敏感性实验设计1控制变量方法基于科学假设，每次仅改变一个参数或条件2参数空间探索在合理范围内系统测试关键参数取值3扰动实验向基准状态施加扰动，研究系统响应4统计评估应用统计方法量化敏感性和不确定性参数敏感性测试是理解模式行为的基础工具，特别适用于评估参数化方案的表现常见的敏感参数包括垂直混合系数、水平粘性/扩散系数、对流调整参数和风应力拖曳系数等系统的参数敏感性测试应采用渐进策略，先进行粗粒度扫描，然后在关键区间进行细粒度测试参数相互作用分析需要采用正交设计或响应面方法，以识别非线性耦合效应边界条件敏感性实验常用于研究外部强迫对海洋环流的影响这类实验通常改变风场、热通量或淡水通量的模式和强度，观察环流系统的响应理想化实验（如阶跃式变化、周期性强迫或空间模式扰动）有助于理清因果关系；历史模拟类实验则利用观测数据的年代际变化，研究真实气候系统的海洋响应机制气候模式评估指标平均态评估变率评估平均态评估关注模式重现气候系统基本特变率评估检验模式模拟气候系统时间变化征的能力，常用指标包括温度场、盐度场的能力，涵盖从季节内到年代际的多个时和环流结构的空间分布偏差标准做法是间尺度常用方法包括计算标准差分布、计算模式结果与再分析或观测数据的差值主要气候模态的EOF分析、功率谱分析和场，以及全球或区域平均的均方根误差极端事件统计ENSO指数、PDO模态和RMSE和偏差bias关键区域如季风指数的模拟质量是热点评估内容变ENSO、AMOC和副热带环流往往使用专率评估不仅关注振幅还需考虑相位和周期门指标评估特性多模式比较多模式比较通过集成多个模式结果，评估科学认知的一致性和不确定性CMIP计划提供了标准化的实验设计和评估框架，便于系统比较不同模式性能多模式集合平均通常优于单个模式，但分析个体模式性能差异有助于识别关键的物理过程和参数化方案的影响现代模式评估越来越注重过程导向的评估，不仅关注模式模拟得如何，还关注为什么模式表现如此这需要追踪关键物理过程的表现，如混合层动力学、中尺度涡活动、边界层过程等发展中的新评估技术包括应用机器学习识别模式系统性错误；使用涡解析模拟作为评估中等分辨率模式的参考；基于卫星观测开发新的评估指标等诊断分析方法能量与涡度分析水团分析通量与输送能量分析是理解海洋动力系统的基础工水团分析基于温度-盐度T-S特性追踪海通量和输送分析量化海洋中物质和能量具，常用的能量分量包括平均动能水体的运动和混合传统方法通过T-S图的移动热、盐、淡水通量分析是研究MKE、涡动能EKE、可利用位能APE识别典型水团；现代方法结合化学示踪海洋气候角色的基础；质量输送分析则等通过计算能量转换项可揭示不同动物如CFCs、氧同位素提高分辨能力用于评估环流强度和结构经向翻转环力过程间的相互作用，如正压/斜压不稳拉格朗日粒子追踪是模拟中常用的水团流MOC计算是特殊的通量分析，通过定过程、风功和底部摩擦等涡度收支分析技术，可直观展示三维流场中的水积分纬向和垂向速度得到描述深层环流分析则从另一角度提供动力学诊断，特团路径最新发展是结合机器学习的水的流函数通量分解技术可区分平均流别适用于研究西边界流和锋面过程团分类方法，能更客观识别复杂水团结和涡旋贡献，揭示不同动力过程的相对构重要性现代诊断分析越来越注重多维度综合分析例如，结合热盐分析与能量收支可更全面理解混合过程；整合欧拉和拉格朗日方法可提供互补视角；联合使用多种示踪物可提高水团分辨率随着模式分辨率提高和物理过程表达更完善，诊断分析方法也需相应演进，如发展适用于次中尺度过程的新诊断工具，和针对海-气-冰耦合系统的跨界面通量分析技术时间序列分析技术谱分析方法多变量分析新兴技术谱分析将时间序列分解为不同频率的贡献，揭示周期经验正交函数EOF分析是提取空间-时间数据主要变复杂网络分析将气候系统视为相互连接的节点网络，性特征传统傅里叶分析适用于平稳序列；现代方法率模态的强大工具它能将复杂场分解为正交模态和通过计算连通性、中心性等拓扑参数揭示遥相关结如小波分析能处理非平稳信号，捕捉时变周期特性对应的时间序列，识别主导变率模式奇异值分解构该方法在识别气候系统关键区域和预测极端事件小波分析在研究ENSO、PDO等气候模态的时间演变SVD则用于分析两个场之间的协变关系，如海温与方面显示出潜力机器学习技术如深度学习和强化学方面表现出色，能识别主导周期的变化和突变点双大气环流复杂EOF、旋转EOF和最优正则相关分析习也逐渐应用于时间序列分析，能自动提取复杂特征谱分析可进一步探测非线性相互作用和频率耦合现CCA等扩展方法能更精确捕捉物理过程特征并发现潜在规律，特别适用于高维非线性系统分析象时间序列分析的关键挑战包括处理非平稳性、长期趋势与多时间尺度叠加、稀疏不规则数据以及因果关系识别现代方法如非线性时间序列分析、因果发现算法和信息论方法正逐步应用于海洋气候研究，提供新的分析视角预测技能评分系统是评估模式预测能力的标准工具，包括相关系数、均方根误差、异常相关等多种指标，需结合具体应用选择合适的评分方法涡旋检测与追踪涡旋识别方法涡旋识别算法分为物理特征法和几何特征法两大类物理特征法基于涡旋的物理定义，如Okubo-Weiss参数速度梯度张量的特征、涡度、Q值和λ2方法等；几何特征法则利用海表高度或流线的封闭曲线特性识别涡旋边界物理方法有更坚实的理论基础，但对数据质量要求高；几何方法更直观，适合不同分辨率数据处理自动追踪技术涡旋追踪算法通过匹配相邻时间步的涡旋特征，重建涡旋生命史基本方法包括最近邻匹配、特征向量匹配和概率方法先进算法如卡尔曼滤波追踪能更有效处理涡旋分裂合并和临时消失等复杂情况机器学习技术也开始应用于涡旋识别与追踪，特别是在处理噪声数据和复杂背景流场时表现优异涡旋特性分析涡旋特性分析涵盖多个方面空间分布统计研究涡旋活跃区和传播路径；强度和尺度分析评估涡旋能量和范围；生命周期研究关注形成、发展和消亡过程；结构分析探索垂直结构和三维特性垂直结构是理解涡旋输运特性的关键，需结合温盐剖面数据进行分析机器学习聚类方法可帮助分类涡旋类型涡旋通量计算是量化涡旋对热量、盐分和能量输送贡献的重要方法传统方法将流场分解为平均流和涡旋部分，计算相关涡输运项；现代方法则直接追踪个体涡旋，计算其携带的物质和能量研究表明，中尺度涡对热量南北输送和碳吸收具有显著贡献，是气候系统中的重要过程随着模式分辨率提高，亚中尺度涡的识别与特性分析也成为新的研究热点可视化与科学分析工具科学可视化是理解复杂海洋数据的关键工具NCLNCAR CommandLanguage是传统的地球科学可视化工具，提供丰富的专业绘图函数；Python生态系统matplotlib、cartopy、seaborn等则因其灵活性和扩展性成为新一代主流工具；专业可视化软件如ParaView和VisIt则在处理大规模三维数据方面具有优势，支持体绘制、流线追踪和交互式探索面对海洋模拟产生的海量数据，高效的后处理流程至关重要现代工作流通常包括数据提取与转换、质量控制、科学分析计算、可视化表达和成果发布等环节自动化脚本和工作流管理工具如Jupyter、Luigi或Airflow可大幅提高工作效率面向大数据的分析策略包括分布式计算Dask、Spark、数据压缩技术、内存映射和流处理等，以应对TB至PB级数据的挑战第六部分典型应用案例分析气候变化气候振荡1全球变暖影响下的海洋响应预测ENSO等气候模态的模拟与预测生态系统极端事件物理-生物耦合过程模拟热带气旋与海洋相互作用研究43本部分将通过系统分析典型应用案例，展示海洋环流与海气相互作用数值模拟的科学应用我们选取了具有重要科学意义和社会关注度的研究主题，涵盖气候变化、气候振荡、极端事件和生态系统等多个领域通过这些案例，您将了解如何将前面学习的理论知识和技术方法应用于解决实际科学问题每个案例分析将包括科学背景介绍、研究目标设定、模式配置与实验设计、关键结果展示和科学解释等环节，全面展示研究过程我们将特别关注不同分辨率、不同复杂度模式的比较，以及模拟结果与观测资料的对比验证，帮助您建立批判性思维和科学评估能力，为您自己的研究工作提供参考全球增暖下的变化AMOC预测系统开发ENSO数据同化ENSO预测的首要环节是准确的初始化，需要同化各类海洋观测数据现代系统采用3D-Var或集合卡尔曼滤波同化卫星高度计、海表温度、Argo剖面等多源数模式配置据与仅同化表层数据相比，同化次表层数据可显著提高ENSO预测技巧，特别是对赤道太平洋温跃层深度的约束ENSO预测需要考虑完整的海气相互作用，通常采用耦合模式模式分辨率需足够表现赤道波动力学，水平分辨率至少

0.5°，垂直分辨率在温跃层区域需加密参数化方案中，垂直混合和赤道底混合过程对ENSO模拟尤为重要，需特别调整集合预测优化单一预测存在高度不确定性，集合预测通过多次模拟减小随机误差集合成员可通过扰动初始条件、模式参数或外部强迫生成研究表明，海洋初始条件扰动和大气物理过程参数扰动对增加集合离散度最有效集合规模通常在30-50成员，权衡计算资源和统计稳定性ENSO预测系统评估显示，预测技巧在6个月内较高，之后迅速下降，表现出明显的春季预测障碍最新进展包括发展多模式集合系统以减小单模式偏差；引入机器学习方法进行模式输出统计校正；改进次表层海洋同化方法以更准确捕捉赤道波动研究表明，中部太平洋El Niño预测技巧普遍高于东部太平洋事件，可能与其持续时间和空间尺度有关热带气旋与海洋相互作用气旋海洋反馈海洋冷涡形成海温预处理-热带气旋通过强风应力引起气旋引起的海洋响应不仅限气旋发展对海温结构高度敏海洋混合和上升流，在移动于表层强风驱动的偏向右感研究发现，不仅表层温路径后方形成冷水区，这一侧的海洋混合和埃克曼抽吸度重要，热含量和温跃层深冷尾迹可持续数周至数月导致温跃层抬升，形成近惯度等次表层特征也是关键因海表冷却最高可达3-5°C，显性内波，产生持久的次表层素海洋热容量OHC和热著影响海-气热通量，形成负影响冷水涡可通过平流和含量26°C等温线深度D26反馈减弱气旋强度高分辨混合影响周围水体，对于连是评估海洋预处理状态的率耦合模式研究表明，考虑续多个气旋路径区域，这种重要指标，与气旋快速增强这一反馈可使预测的气旋强累积效应尤为显著密切相关度降低10-30%，更接近观测值未来气候变化背景下，热带气旋与海洋相互作用可能发生显著变化一方面，海洋表层增暖提供更多能量；另一方面，次表层层化增强可能限制垂直混合效率高分辨率海气耦合模式模拟表明，全球变暖可能导致气旋强度增加但数量减少，且海洋负反馈的调节作用可能减弱这些变化将对沿海地区风暴潮和极端降水风险产生深远影响中尺度涡的气候效应热量输送作用西边界流调节中尺度涡对全球热量输送具有显著贡献，特别是在次极地区域中尺度涡通过能量反馈影响西边界流路径和强度湾流分离点的研究表明，涡旋可贡献南大洋向极热输送的40%以上，是南半球正确模拟需要足够高分辨率解析涡旋活动对比实验表明，涡解经向热输送的关键组成部分涡旋热输送主要通过斜压不稳定过析模式

0.1°能较准确再现湾流路径和延伸，而粗分辨率模式程实现，但也受地形、风应力和层化结构的调控1°则表现出典型的湾流分离过北和延伸过强偏差高分辨率

0.1°与常规分辨率1°模式的对比研究揭示，直接解涡参数化方案的选择对西边界流模拟至关重要传统Gent-析涡旋的模式在南大洋和西边界流区域表现出不同的热量输送模McWilliams方案与基于涡动能的动态参数化方案的对比显示，式和强度涡解析模式显示更强的涡诱导输送和更弱的平均流输后者能更好地适应流场的空间变化，在西边界流区域产生更合理送，但总输送较为一致，表明参数化方案在总量上有一定合理的涡输运效应然而，所有参数化方案在重现涡-平均流相互作性用的非线性特性方面仍有局限未来气候变化背景下，中尺度涡活动的变化将影响全球热量再分配模式研究预测，增暖情景下南大洋涡活动可能增强，而北大西洋涡活动模式可能发生位移这些变化有望通过热量输送的调整影响区域气候响应高分辨率模式与传统模式在预测未来涡活动变化方面存在差异，表明涡解析能力对长期气候预测同样重要海洋增暖模式93%海洋热吸收全球气候系统额外热量的吸收比例°

0.6C表层平均增暖过去50年海洋表层温度上升1000m增暖影响深度明显热量积累的典型深度24%南大洋吸热比例占全球海洋吸热的份额海洋增暖呈现显著的空间非均匀性表层增暖在北大西洋、北太平洋和热带地区最为明显；深层增暖则在南大洋和北大西洋深水形成区最为显著这一模式反映了海洋环流在热量再分配中的关键作用表层增暖主要受局地空气-海洋热通量控制，而深层增暖则通过垂直对流和等密度输送过程传递热量高分辨率模式与传统模式相比，在西边界流区域和南大洋展示出更细致的增暖结构热量储存过程中，温跃层的变化尤为关键在热带和副热带地区，观测和模式均显示温跃层加深趋势，这一方面加强了上层海洋层化，另一方面增加了上层海洋热容量不同模式在预测未来增暖模式时存在差异，主要源于对混合过程、涡旋输送和上升/下沉区域变化的不同表达考虑涡旋显式表达的高分辨率模式通常预测热量向深层传输更有效，导致表层增暖减缓但深层增暖加速极地海洋与海冰变化第七部分前沿研究与发展趋势计算技术革新多尺度耦合新一代超级计算机和GPU加速技术正推动海研究重点正转向更全面的地球系统模拟，整洋模拟进入百亿网格点量级，使全球涡解析合大气、海洋、陆地、冰冻圈和生物地球化模拟成为可能同时，机器学习等人工智能学过程模式正从物理耦合扩展到包括生态技术开始应用于参数化改进、偏差校正和预系统、碳循环、生物地球化学循环的全面耦测增强，提供了传统方法之外的新思路合，以应对全球变化综合研究需求观测融合创新卫星观测和自动化观测网络产生的海量数据为模式提供了前所未有的约束条件数据同化技术的发展和观测系统模拟实验OSSE的应用使模式和观测的融合更加紧密，推动了数字孪生海洋概念的发展本部分将探讨海洋环流与海气相互作用数值模拟领域的最新进展和未来发展方向随着科学认知深入和技术能力提升，模拟研究正向着更高分辨率、更全面过程表达和更紧密观测融合的方向发展同时，应对气候变化和极端事件预测等社会需求也在推动模拟技术向应用领域拓展我们将重点关注机器学习、地球系统模式、观测系统设计、极端事件模拟和区域精细模拟等前沿领域的最新进展，帮助您把握研究动态和未来机遇这些知识将有助于您规划自己的研究方向，并在这一充满活力的科学领域做出贡献机器学习在海洋模拟中的应用传统模式1基于物理方程的明确求解混合方法2物理模式与ML相结合数据驱动模型3主要依靠观测数据训练机器学习在海洋模拟中的应用正快速发展参数化方案是主要突破点，研究者使用深度神经网络替代传统的湍流混合和次网格过程参数化方案这些基于数据的参数化能学习高分辨率模式的复杂行为，并在粗分辨率模式中高效重现例如，针对中尺度涡的机器学习参数化已显示出优于传统Gent-McWilliams方案的性能，特别是在再现涡-平均流非线性相互作用方面降尺度和偏差校正是另一重要应用领域卷积神经网络可从粗分辨率模式输出生成高分辨率特征，如西边界流细节和中尺度涡场，计算成本仅为直接高分辨率模拟的几十分之一生成对抗网络GAN技术能有效校正模式系统性偏差，特别是在海温和降水等关键变量上最新研究方向是开发物理约束的机器学习方法，确保人工智能模型符合基本的物理守恒定律，同时保持其灵活性和效率优势地球系统模式新发展分辨率提升过程集成从百公里级向公里级推进整合物理、化学、生物过程计算优化模块化架构适应新型计算架构3灵活组合不同组件模块新一代地球系统模式正向更高分辨率发展，海洋模式已进入全球

0.1°10公里分辨率时代，局部甚至达到公里级这种分辨率提升不仅量化变化，更带来质的飞跃能直接模拟中尺度涡、沿岸上升流、河口过程等关键现象计算挑战方面，异构计算架构CPU+GPU正成为主流，要求模式代码进行深度重构以充分利用新硬件性能生物地球化学过程集成是另一重要发展方向现代地球系统模式已超越单纯物理耦合，整合了碳循环、氮循环、海洋生态系统和大气化学等组件这些进展使模式能模拟气候-碳循环反馈、海洋酸化、缺氧区变化等关键过程CMIP7规划已将生物地球化学过程和人类活动影响作为核心实验设计，标志着地球系统模拟的综合性进一步提高同时，不确定性量化和模式评估方法也在演进，发展了针对多尺度多过程的层级化评估框架海洋观测系统与模式发展协同观测网络优化观测模式融合数字孪生海洋-观测系统模拟实验OSSE已成为设计优化海洋观测网络观测与模式融合不再局限于初始化，已成为理解海洋过数字孪生海洋代表了观测与模式融合的终极形态，旨在的重要工具通过在模式真实世界中模拟各种观测策程、评估模式性能和改进参数化方案的关键手段新型构建与实际海洋同步更新、高度准确的数字复制品该略，可评估不同布局的观测效益研究表明，针对关键融合方法如四维变分同化已在业务系统中应用；机器学概念整合了高分辨率模式、全面观测网络、先进同化技区域如西边界流、深水形成区和赤道太平洋的定向加密习辅助的观测约束技术能高效整合异构数据源；集合方术和人工智能方法，提供近实时的全球海洋全参数四维观测，能显著提高全球海洋状态估计和预测技能这种法则提供了不确定性估计能力后向调整技术如ECCO状态估计欧盟蓝色云计算项目和美国海洋预测模型基于模式的观测系统设计方法正推动Argo计划、卫星任通过同步优化初始场和模式参数，在保持物理一致性的系统已开始探索这一方向，未来将为海洋资源管理、气务和固定站点网络的优化部署同时最大化利用观测信息候服务和海洋灾害预警提供强大支持观测与模式协同发展面临的关键挑战包括处理观测稀疏性与不确定性；量化和降低模式结构性误差；建立高效的大规模数据处理流程；以及平衡计算资源分配未来发展方向包括将生物地球化学观测纳入同化系统；发展多尺度同化技术以同时约束大尺度环流和局地过程；以及构建支持多种应用的综合海洋信息系统极端事件模拟与预测海浪与风暴潮高分辨率海气耦合模拟极端风浪和风暴潮海洋热浪模拟海洋极端增温事件的形成与影响复合极端事件研究多种极端因素叠加的协同效应预警系统开发基于模式预测的早期预警能力海洋极端事件模拟是近年快速发展的领域高分辨率波浪-环流耦合模式已能较准确预测台风和风暴引发的极端波高和风暴潮这类模式通常采用非结构化网格技术，在沿海关键区域加密至数百米分辨率，同时考虑潮汐、河流输入和大气压强效应先进的不确定性量化方法如集合预报和概率预测已应用于业务系统，提供风险等级评估海洋热浪是另一类备受关注的极端事件，指持续数周至数月的异常高温水体，对海洋生态系统有严重影响耦合模式研究表明，海洋热浪形成机制复杂，包括异常大气强迫、海洋热输送变化和反馈放大效应近年模拟工作揭示了2015-2016年北太平洋巨型斑块和2017-2018年塔斯曼海热浪的形成机制，为改进预测系统提供了科学基础区域海洋下垫面过程精细模拟陆架与近岸过程河口与潮汐相互作用上升流系统动力学陆架区是海陆相互作用最活跃的区域，传统全球河口系统是淡水入海的关键通道，其复杂的盐度沿岸上升流区是海洋生产力最高的区域之一，其模式难以准确表达其复杂动力学新一代区域高锋面和分层结构对区域生态有重要影响最新模强度和变率受多种因素影响高分辨率模拟表分辨率模式50-500米能精确刻画陆架环流、上升拟研究整合了河流水文、潮汐动力和风生环流，明，上升流结构的细节如锋面位置、跨陆架输运流系统和岸边界层结构这些模式采用非结构化揭示了河口羽流的三维结构和时空变异性模型和中尺度涡入侵对于营养盐供应至关重要研究网格或多重嵌套技术，结合精细地形数据和改进显示，潮汐混合与河流脉冲式输入的相互作用形发现，局地风场结构、海岸线形状和底部地形共的边界层参数化方案，大幅提升了近岸动力学模成复杂的水团结构，这种结构对污染物扩散和沉同决定了上升流的空间模式，而对这些因素的精拟能力积物输运具有控制作用确表达是成功模拟的关键近岸水质与生态系统耦合模拟代表了最复杂的区域模式应用这类模式将物理海洋模式与生物地球化学和生态系统模块耦合，模拟营养盐循环、初级生产力和食物网动态最新研究特别关注陆源输入包括污染物对近岸生态系统的影响，以及气候变化背景下近岸系统的脆弱性评估区域精细模拟面临的主要挑战包括边界条件处理、尺度交叉关系表达和多源数据同化最新进展包括开发改进的开边界算法以减少噪声；建立涵盖流域-河口-近海的一体化模拟框架；以及整合遥感和现场观测数据的高分辨率数据同化系统这些技术进步正推动近岸模拟从研究工具向实用决策支持系统转变总结与展望模拟新境界超高分辨率、全过程模式多学科融合地球系统科学与人类活动整合人才培养跨领域复合型科研人才大洋环流与海气相互作用数值模拟研究已取得显著进展模式分辨率从数百公里提升至公里级，从单一物理过程扩展到全面地球系统表达；观测系统与模式协同发展，数据同化技术日益成熟；应用范围从基础科学研究拓展到气候预测、海洋预报和环境管理等多个领域特别是中尺度涡模拟、ENSO预测和全球变暖背景下海洋变化预估方面取得了突破性进展展望未来，本领域仍面临多项关键科学挑战亚中尺度过程及其气候效应；多尺度相互作用机制；极端事件预测的可靠性；生物地球化学-物理耦合过程；以及人类活动对海洋系统的复杂影响等技术挑战方面，高性能计算架构演进、海量数据处理、模式复杂度增加与计算效率平衡等问题需要创新解决方案未来发展方向包括向更高分辨率全球公里级和更全面耦合模式迈进；发展人工智能辅助的高效模拟技术；加强观测系统与模式协同优化；构建数字孪生海洋；推动跨学科融合研究；以及加强科学与社会需求的衔接随着计算技术和观测能力的不断提升，海洋数值模拟将继续引领地球系统科学研究，为应对全球变化挑战提供科学支撑。