大洋环流与海气相互作用数值模拟教程课件

大洋环流与海气相互作用数值模拟教程欢迎参加大洋环流与海气相互作用数值模拟教程本课程将深入探讨海洋与大气系统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全球气候系统的变化在接下来的课程中，我们将从基础概念入手，逐步深入到高级模拟技术，帮助您掌握海洋环流动力学、海气耦合机制以及数值模拟的核心方法无论您是海洋学、气象学的研究人员，还是对气候系统感兴趣的学生，本课程都将为您提供全面而深入的知识体系课程简介探索海洋与大气相互作用的科学机制深入研究海洋与大气之间的复杂耦合过程，包括热量、动量和物质交换的基本原理与计算方法通过理解这些机制，我们能够更好地认识全球气候系统的运行规律深入解析数值模拟技术系统介绍海洋与大气数值模拟的核心算法、参数化方案和计算框架，包括网格离散化、时间积分和物理过程参数化等关键技术这些方法是现代气候研究的基础工具揭示全球气候系统复杂性通过数值模拟实验，展示全球气候系统中的多尺度过程和非线性相互作用，帮助学习者理解气候变化的内在机制和未来演变趋势课程目标理解大洋环流基本原理掌握海洋环流的形成机制、动力学特征和全球分布规律，建立对海洋物理过程的系统认识包括表层环流、深层环流以及中尺度涡旋等关键现象的基本理论掌握数值模拟方法学习现代海洋和大气数值模拟的基本方法与技术框架，包括基本方程组、离散化技术、参数化方案和计算优化策略，培养独立开展数值模拟研究的能力分析海气相互作用机制理解海洋与大气之间的能量交换、动量传递和物质循环过程，掌握海气界面通量的计算方法和物理意义，建立对气候系统整体运行机制的认识认识气候变化研究方法了解如何利用数值模拟技术研究气候变化问题，包括情景设计、敏感性试验、集合预报和不确定性评估等方法，培养气候系统科学研究能力大洋环流基础概念定义与分类海洋水体规模性的持续运动现象驱动机制风应力驱动和密度差异驱动全球大洋环流系统表层风生环流与深层热盐环流的耦合大洋环流是指海洋中大尺度的持续性水体运动，是地球气候系统中能量和物质传输的关键环节根据驱动力不同，可分为由风应力驱动的风生环流和由密度差异驱动的热盐环流前者主要分布在海洋上层，与大气环流直接相互作用；后者贯穿整个海洋深度，构成全球大洋传送带大洋环流系统通过输送热量、盐分和其他物质，调节全球气候状态，影响天气系统发展，支持海洋生态系统功能理解大洋环流的基本特征和变化规律，是研究全球气候变化和进行气候预测的基础海洋环流的物理基础地转平衡风应力作用地球自转产生的科里奥利力与大气对海洋表面的摩擦力通过压力梯度力达到平衡，形成沿分子粘性和湍流作用向下传递，等压线的大尺度环流这一平带动海水运动埃克曼理论解衡在中高纬度海洋尤为重要，释了风应力与表层流向间的偏是大洋环流呈现旋转结构的根转关系，以及埃克曼抽吸现象本原因密度梯度影响海水温度和盐度的空间分布差异导致密度梯度，进而产生压力梯度力，驱动热盐环流极地海域的冷却和冰冻过程产生的高密度水下沉，是深层环流的主要驱动力海洋环流的形成和维持受到多种物理力的综合作用，包括科里奥利力、压力梯度力、重力和摩擦力等这些力的平衡关系决定了海洋环流的结构和强度，也是数值模拟中需要准确表达的核心物理过程海洋动力学基本方程连续方程动量守恒方程描述质量守恒原理，确保流体运动过程中物基于牛顿第二定律，描述流体运动的加速度质不会凭空产生或消失与作用力之间的关系状态方程能量守恒方程描述海水密度与温度、盐度和压力之间的关确保系统能量平衡，描述热量传递与转换过系程海洋动力学的基本方程组构成了海洋数值模拟的理论基础连续方程确保质量守恒，表达为流体通过任意闭合体积的净流量为零动量守恒方程（即方程）描述了流体加速度与压力梯度力、科里奥利力、重力和摩擦力等作用力之间的平衡关系Navier-Stokes能量守恒方程描述海水温度的变化过程，包括平流输送、扩散混合和外部热源等因素海水状态方程则建立了密度与温度、盐度和压力之间的函数关系，是连接热力学和动力学过程的关键环节这套方程组共同构成了描述海洋运动的完整理论框架数值模拟基本概念离散化方法数值格式计算域与边界条件将连续的物理量和方程转数值近似的具体算法和计确定模拟区域的范围和边换为有限数量的离散点或算方案，包括中心差分、界上的物理约束条件常单元上的数值表达，包括迎风格式、格式等用的边界条件包括固壁边TVD空间离散化和时间离散化不同数值格式具有不同的界、开边界、周期边界等，两个方面常用的空间离精度、稳定性和守恒特性，正确设置边界条件对模拟散化方法有有限差分法、需要根据具体问题选择适结果至关重要有限元法和谱方法等当的格式数值模拟是通过计算机求解海洋动力学方程的近似解，将连续的物理过程转化为离散的数值计算这一过程包括建立数学模型、设计离散格式、编写计算程序和分析模拟结果等环节在实际应用中，模拟精度与计算资源之间往往需要权衡，高精度的模拟需要更细的网格分辨率和更小的时间步长，但也意味着更大的计算量因此，高效算法和优化策略对于提高数值模拟的性能至关重要网格类型结构化网格非结构化网格混合网格技术以规则的排列方式组织计算点，通常采由不规则排列的多边形或多面体单元组结合结构化和非结构化网格的优点，在用正交坐标系，如笛卡尔网格或曲线坐成，通常采用三角形或四面体等基本单不同区域采用不同类型的网格例如，标网格其特点是网格点编号规则，相元其特点是网格点分布灵活，可以根在海岸线附近使用非结构化网格精确表邻关系明确，数据结构简单，便于高效据需要在关键区域加密，精确拟合复杂达边界，在开阔海域使用结构化网格提实现差分格式地形高计算效率优点编程实现简单，计算效率高；缺优点适应复杂边界，局部加密灵活；优点兼顾精度和效率；缺点网格接点难以精确拟合复杂边界缺点数据结构复杂，计算开销较大口处理复杂，编程难度高数值离散化方法有限差分法基于泰勒展开，用网格点上物理量的差值近似微分方程中的导数项计算简单直观，易于实现，但在复杂几何边界处处理较困难是海洋模型中应用最广泛的离散化方法，如、等经典模型均采用此方法MOM POM有限元法基于变分原理，将计算域分解为有限个单元，在每个单元内用简单函数近似未知量，然后组装成整体方程求解适应复杂边界，但计算量大，实现复杂在海岸带和河口区域模拟中应用广泛谱方法利用正交函数级数（如傅里叶级数、勒让德多项式等）展开未知量，将偏微分方程转化为代数方程组具有高精度特性，适合简单几何形状和周期性问题，在全球尺度海洋环流模拟中有应用不同的离散化方法各有优缺点，选择合适的方法需要考虑问题的物理特性、计算域几何形状、所需精度和计算资源等因素在实际应用中，还可能将不同方法结合使用，如在水平方向采用谱方法，垂直方向采用有限差分法，以充分利用各种方法的优势时间推进schemes显式格式直接用当前时刻的已知值计算下一时刻的未知值隐式格式建立包含下一时刻未知值的方程组求解半隐式格式对不同项采用不同处理方式的混合方法时间推进格式是数值模拟中的关键问题，决定了计算的稳定性和效率显式格式计算简单直观，但受到稳定性条件限制，时间步长不能太CFL大；隐式格式稳定性好，允许较大时间步长，但每步需要求解大型方程组，计算量增加；半隐式格式则尝试平衡两者优缺点，对传播速度快的项（如重力波）采用隐式处理，对其他项采用显式处理在海洋模型中，常用的时间推进方案包括前向欧拉法、中心差分法（如跳蛙格式）、龙格库塔法等显式方法，以及克兰克尼科尔森法、全隐--式法等隐式方法模式分裂法（如模式分裂显式法）也是海洋模拟中的重要技术，可以分别处理快慢不同的物理过程湍流参数化模型动量涡粘性K-ε通过求解湍动能和耗散率的输假设小尺度湍流对大尺度流动的影Kε运方程，确定湍流粘性系数这种响可以表示为增强的粘性效应，即二方程模型考虑了湍流的产生、输湍流应力与速度梯度成正比这一运和耗散过程，适用于复杂流动情假设简化了湍流的表达，广泛应用况，但计算量较大，在海洋模型中于大尺度海洋环流模型中，但难以主要用于局部高分辨率模拟准确表达所有湍流特性湍流动能闭合基于湍动能平衡方程，计算湍流强度并确定混合系数这类模型在海洋上混合层模拟中应用广泛，能较好地表达风生混合和对流混合过程，如Mellor-方案和方案Yamada KPP湍流是海洋中普遍存在的小尺度无规则流动，对物质和能量的混合输运有重要影响由于计算分辨率限制，数值模型无法直接解析所有尺度的湍流运动，必须通过参数化方法表达小尺度湍流过程对分辨尺度流动的影响海气界面通量动量通量热量交换大气向海洋传递的机械能，主要由风应力产生与风速的平方成正比包括短波辐射、长波辐射、感热和潜热四个•分量通过海表面粗糙度参数调节••短波辐射太阳直接辐射，取决于太阳•驱动海洋表层环流和波浪生成高度、云量和海水吸收率淡水通量长波辐射地球和大气辐射，与温度和•湿度相关影响海表面盐度和浮力的水分交换•感热通量通过分子和湍流过程直接传•降水直接增加淡水输入导的热量蒸发增加表层盐度•潜热通量与蒸发和凝结过程相关的能•河流径流沿海岸带的主要淡水来源•量交换海冰融化和冻结高纬度地区重要的淡水通•量过程海气界面通量是连接海洋和大气系统的关键过程，直接影响两个系统的能量平衡和动力特性准确计算这些通量对于气候模拟的成功至关重要，但由于海气界面过程的复杂性和观测资料的有限性，通量参数化仍是模型发展中的重要挑战海表面风应力风场测量风应力计算海表面风场的实时监测是计算风应力的基风应力通常采用体积传输公式计算础主要测量方法包括与风速的平方成正比•船舶和浮标观测提供定点实测数据，•通过拖曳系数调节，拖曳系数与风速、•精度高但空间覆盖有限海面状态相关卫星遥感利用散射计或合成孔径雷•考虑大气稳定度对拖曳系数的影响•达，获取大范围风场信息波浪状态对粗糙度长度的影响•气象再分析结合观测和模式，生成•全球一致的风场数据集全球风场数据集常用的全球风场再分析数据包括再分析数据•NCEP/NCAR系列（、）•ERA ERA-Interim ERA5卫星融合风场产品•CCMP日本气象厅再分析数据•JRA-55海洋动力学模型原位观测利用浮标、潜标、剖面等设备直接测量海洋参数，获取高精度的点数据或剖面数据这些观测资CTD料是理解海洋过程和验证模型的基础，但空间和时间覆盖往往有限数值模拟基于流体动力学方程，通过计算机模拟海洋环流和物理过程可以提供全面的时空覆盖，模拟各种假设条件下的海洋响应，但精度依赖于模型物理过程的正确表达和参数设置遥感技术利用卫星等平台，通过电磁波与海洋相互作用，反演获取海表温度、海面高度、海表风场等信息提供大范围、高频率的观测，但仅限于表层或有限深度的信息，且受天气条件影响海洋动力学研究采用多种手段相互补充，形成完整的观测和理解体系原位观测提供精确但有限的直接测量，遥感技术弥补了空间覆盖的不足，而数值模型则整合各类观测，通过物理规律重现和预测海洋状态现代海洋科学研究通常将这三种方法结合使用观测数据用于模型初始化和验证，模型结果辅助解释观测现象，同时指导观测计划设计这种多源信息融合的研究范式大大提高了我们对海洋系统的认识水平海洋环流观测技术浮标系统剖面浮标卫星遥感锚定或漂流浮标是海洋观测的基础设施，以计划为代表的自主剖面浮标网络，卫星测高技术可以精确测量海面高度，进Argo可长期连续监测海洋表层和次表层参数能够在全球海洋自动收集深度达米而推算地转流速；散射计可以测量海表风2000全球浮标网络提供实时数据传输，支持气的温盐剖面数据这些浮标通常在深层漂场；红外和微波辐射计可以获取海表温度象预报和海洋研究现代浮标配备多种传移，定期上浮过程中收集剖面数据，浮出分布多种卫星数据结合，能够构建全球感器，可同时测量温度、盐度、流速、气水面后通过卫星传输数据，然后再次下潜，海洋表层环流的完整图像，为理解大尺度象参数等周而复始海洋过程提供关键信息大尺度海洋环流墨西哥湾流北大西洋涡旋北大西洋最强的西边界流，从佛罗以湾流为西边界，北大西洋洋流为里达海峡出发，沿北美东海岸向北东边界形成的大型顺时针环流系统流动，在纽芬兰附近转向东北进入这一亚热带环流受西风和信风共同大西洋湾流每秒输送约亿立驱动，是风生环流的典型代表其

1.5方米的海水，相当于全球所有河流中央区域形成称为马尾藻海的水团，总流量的倍，是北大西洋热量具有特殊的生态环境150输送的主要通道南极绕极流环绕南极大陆的强大洋流，是唯一连接三大洋的环流系统受强劲西风带驱动，年平均输送量约为亿立方米每秒，流速可达每秒米绕极流在全球

1.

340.5-2热量平衡和气候调节中扮演关键角色大尺度海洋环流构成了全球海洋传送带系统，在调节气候、输送热量和物质方面发挥着至关重要的作用这些主要环流系统通过复杂的相互作用，形成全球海洋环流网络，影响着从区域到全球尺度的气候模式海洋环流动力学罗斯贝数斯特罗哈尔数表征科里奥利力与惯性力相对重要性的描述流体运动中不稳定性的无量纲参数，无量纲参数在大尺度海洋环流中，罗表征局部时间变化率与平流输送率的比斯贝数通常远小于，表明科里奥利力占值斯特罗哈尔数定义为1主导地位，导致地转平衡状态罗斯贝，其中为特征频率，为St=ωL/UωL数的定义为特征长度，为特征速度小斯特罗哈尔U，其中为特征速度，为数表明流动接近稳态Ro=U/fL Uf科里奥利参数，为特征长度L涡旋动力学中尺度涡旋是海洋中普遍存在的旋转结构，直径一般为公里，持续时间从数周10-100到数月不等涡旋的形成机制包括斜压不稳定性•地形效应•风应力卷曲•流体相互作用•海洋动力学数值模型模型ROMS区域海洋环流模式（）是一个自由表面、地形Regional OceanModeling System追随坐标的原始方程模型，专为模拟沿岸和区域海洋环流设计采用有限差分法在水平方向上使用网格，垂直方向使用拉伸地形追随坐标模型广Arakawa-C ROMS泛应用于近海动力学、上升流系统和生态系统耦合研究模型MOM模块化海洋模式（）是地球物理流体动力学实验室开发Modular OceanModel的全球海洋环流模式采用有限差分法和网格，支持多种垂直坐标Arakawa-B选项其模块化设计允许灵活配置不同的物理参数化方案，是气候研究中最广泛使用的海洋模型之一，也是多个耦合气候模型的海洋分量模型NEMO海洋和海冰数值模拟框架（Nucleus forEuropean Modellingof the）是一个综合的海洋模拟平台，包括海洋动力学（）、海冰动力Ocean OPA学（）和生物地球化学（）等组件采用有限差分法和结构化网格，LIM TOP支持全球和区域应用被欧洲多个业务化和研究型海洋预报系统采用NEMO全球海洋再分析数据SODA GLORYSECCO简单海洋数据同化（全球海洋物理再分析（估计全球海洋环流状态（Simple OceanGlobal OceanEstimating）系统生成的全球）是由法Data AssimilationReanalysis andSimulation theCirculation andClimate ofthe海洋再分析数据集，由马里兰大学和得国海洋开发研究院（）主导开）是由美国联合资助的国IFREMER OceanNASA克萨斯农工大学联合开发通过发的高分辨率全球海洋再分析产品际合作项目，旨在通过四维变分同化SODA最优插值方法同化各类观测数据，提供（）方法提供物理一致的全球4D-Var基于模型和多变量数据GLORYS NEMO从年至今的全球海洋三维温度、海洋状态估计1958同化系统，同化了卫星测高、温盐剖面盐度和流场资料和海冰资料，提供年以来的全球的特点是严格遵循模型动力学约束，1993ECCO的特点是长时间序列和对早期资海洋状态估计，水平分辨率达度，确保质量、热量和动量守恒，特别适合SODA1/12料的良好处理，为气候变化研究提供了是目前分辨率最高的全球再分析产品之研究海洋环流的长期变化和全球热量平宝贵数据一衡问题海气耦合模型基础耦合接口连接海洋和大气组件的软件层通量交换边界条件和强迫场的双向传递时间尺度匹配处理不同组件时间步长的同步策略海气耦合模型是将海洋模型和大气模型连接起来的综合系统，通过显式模拟海洋和大气之间的相互作用过程，更准确地再现气候系统行为耦合接口负责管理模型组件间的信息传递，处理不同空间分辨率之间的插值，并确保物理量守恒通量交换是耦合过程的核心，包括大气向海洋传递的风应力、热通量和淡水通量，以及海洋向大气提供的海表温度、海冰分布等边界条件由于海洋和大气的时间尺度差异显著，耦合模型通常采用不同的时间步长策略，如大气模型使用较小的时间步长（分钟量级），而海洋模型使用较大的时间步长（小时量级），通过耦合器在特定时间间隔同步交换信息气候系统耦合模型CESM社区地球系统模式（）是由美国国家大气研Community EarthSystem Model究中心（）主导开发的综合气候模型，包含大气、海洋、陆面、海冰、陆NCAR冰和生物地球化学等多个组件支持多种分辨率配置和耦合方式，广泛应HadCM3CESM用于长期气候变化和季节性预测研究哈德莱中心耦合模式（）是英国3Hadley CentreCoupled Model,version3气象局开发的全球耦合气候模型，由大气模式（）和海洋模式HadAM3（）组成尽管发布于年，因其计算效率高和气候模HadOM31999HadCM3模型GFDL拟能力强，至今仍被广泛使用，特别是在古气候和未来气候情景研究中由美国地球物理流体动力学实验室开发的气候模型系列，包括、和最CM2CM3新的等版本模型以其强大的海洋和大气动力学组件而著称，特别在CM4GFDL厄尔尼诺南方涛动（）和大西洋经向翻转环流（）等关键气候过-ENSO AMOC程的模拟方面表现优异这些气候系统耦合模型代表了现代气候科学的重要工具，用于理解气候系统的内部变率、外部强迫响应和未来变化趋势尽管模型细节和优势各有不同，但它们都致力于通过精确表达地球系统各组成部分之间的相互作用，提高气候模拟和预测的能力海气相互作用机制热力学过程动力学过程海洋与大气之间的能量交换与传递风应力驱动海洋环流与波浪系统冰海洋大气相互作用生物地球化学过程--极地系统中的复杂反馈机制碳循环与气体交换影响全球气候海气相互作用是连接地球气候系统各组成部分的关键纽带热力学过程主要包括辐射平衡、表面热通量（感热和潜热）和海表温度调控；动力学过程涉及风应力驱动的海洋环流、风浪生成以及由海洋环流反馈影响的大气环流模式生物地球化学过程则关注海洋与大气之间的气体和物质交换，尤其是碳等温室气体的吸收和释放过程在极地地区，海冰形成与融化引入了额外的复杂dioxide性，通过改变表面反照率、海水盐度和热交换效率，产生重要的气候反馈这些相互作用过程在不同时空尺度上运行，共同构成了全球气候系统的动态平衡海面热通量短波辐射长波辐射潜热通量太阳辐射中波长小于微米的部分，波长大于微米的辐射，包括来自与水汽相变过程相关的能量交换，44主要集中在可见光和近红外区域大气的下行长波辐射和海面向上的主要是海面蒸发引起的热量损失这部分辐射能够穿透大气到达海面，长波辐射根据斯蒂芬玻尔兹曼潜热通量的大小取决于空气与海水-并部分被海水吸收短波辐射的吸定律，海面作为黑体辐射体发出的之间的水汽压差、风速和海气界面收深度可达数十米，是海洋获取热能量与其绝对温度的四次方成正比稳定性在热带海区，潜热损失是量的主要来源，其强度受太阳高度长波辐射净通量通常是负值，表示海洋热量平衡的主要调节机制，每角、云量和海水透明度的影响海洋向大气失去热量年可达100-200W/m²感热通量通过直接接触导致的热量传递，与海气温度差和湍流交换强度有关在大多数海区，感热通量明显小于潜热通量，但在寒冷气团经过暖洋面时（如冬季西边界流区域），感热通量可显著增强，成为局地大气加热的重要来源海洋碳循环₂交换生物泵碳汇机制CO海洋与大气之间的二氧化碳交换是全球海洋生物泵是通过生物过程将表层碳输海洋碳汇是指海洋从大气中净吸收和长碳循环的核心环节这一过程由海气界送到深海的机制初级生产者（主要是期储存碳的能力除生物泵外，物理溶面的分压差驱动，受到溶解度、风速和浮游植物）通过光合作用将无机碳转化解泵也是重要机制，指高纬度地区冷却海洋生物活动的影响当海水中的₂为有机碳，部分有机物在死亡后以颗粒的海水吸收₂后下沉，将碳输送到深CO CO分压低于大气时，海洋吸收₂；反之形式下沉，将碳从表层输送到深海海，形成长期储存CO则释放这一过程每年可将约亿吨碳从表层随着气候变化，海洋酸化和温度升高可110目前海洋每年净吸收约亿吨碳，相当输送到海洋内部，其中约最终被埋藏能削弱海洋碳汇能力，这一反馈效应是261%于人类活动释放量的四分之一，是减缓在海底沉积物中，形成长期碳汇气候模型中的重要不确定性来源大气₂浓度上升的关键缓冲机制CO大气海洋边界层-湍流通量摩擦速度边界层中的湍流运动是物质、能量和摩擦速度（）是表征边界层湍流强u*动量交换的主要机制在海洋表面，度的关键参数，定义为湍流应力与流风生湍流和浮力驱动湍流共同作用，体密度平方根的比值它直接关系到影响海气界面的交换效率湍流通量风应力大小，并用于计算各种通量参可以通过涡相关法直接测量，或通过数化方案摩擦速度越大，表明湍流参数化方案在模型中表达交换越强，界面通量越大稳定度影响大气稳定度描述了空气密度的垂直分布状态，直接影响湍流发展和交换效率在不稳定条件下（如寒冷空气经过暖海面），对流增强，湍流交换加剧；而在稳定条件下，湍流受到抑制，交换减弱相似理论提供了描述稳定度影响的理论Monin-Obukhov框架大气海洋边界层是两大流体系统的交界面，厚度通常为几十至几百米，是动量、热量和物质-交换的关键区域在这一区域，风应力作用于海面产生波浪和流动，同时海面温度影响大气稳定度，形成复杂的相互作用系统精确模拟边界层过程对于正确表达海气相互作用至关重要数值模拟的不确定性参数化误差由于计算资源限制，模型无法直接解析所有尺度的物理过程，必须通过参数化方案表达小尺度过程对大尺度流动的影响这些参数化方案基于理论简化和经验关系，不可避免地引入误差和不确定性关键的参数化过程包括湍流混合、云物理和海气界面通量等模型偏差模型在长期积分过程中可能表现出系统性偏差，即模拟结果与观测的持续性差异这些偏差可能源于初始条件不准确、边界条件设置不当、数值格式误差累积或物理过程表达不完善等因素模型偏差会影响模拟结果的可靠性，特别是长期气候预测不确定性量化系统评估模型结果可靠性的方法论，包括敏感性分析、集合模拟和概率预测技术这些方法通过扰动初始条件、模型参数或边界条件，生成多个模拟结果，进而评估预测的可信区间和概率分布不确定性量化有助于识别模型的关键敏感参数和改进方向数值模拟作为理解海洋和气候系统的强大工具，同时也面临着多种不确定性来源理解和量化这些不确定性对于正确解释模型结果、评估预测可靠性以及指导模型改进至关重要数值模拟精度评估统计误差分析模型验证方法模型间比较通过定量指标评估模型结果与观测数据的包括与独立观测数据的定量比较、历史事通过比较不同模型在相同条件下的模拟结一致性，常用指标包括均方根误差件的回溯测试和理想化试验的理论验证等果，评估模型表现的相对优势和共同不足（）、偏差（）、相关系数有效的验证需要选择合适的参考数据和评国际模型比较计划（）为此提供了标RMSE BiasMIPs（）和技巧得分（估指标，既考虑模型的总体性能，也关注准化框架，如（耦合模型比较计划）Correlation SkillCMIP）等这些统计量可以识别模型的特定过程和关键现象的模拟能力验证结和（海洋模型比较计划）等模型Score OMIP系统偏差、随机误差和相位误差，为模型果可用于模型调优和参数优化间比较有助于理解模型差异的结构性来源改进提供方向和参数敏感性并行计算技术领域分解将计算域划分为多个子区域，由不同处理器并行计算OpenMP基于共享内存的并行编程标准，适用于单节点多核计算并行MPI基于消息传递的分布式并行计算标准，适用于大规模集群海洋和气候模拟是计算密集型应用，需要大量计算资源并行计算技术通过将大规模计算任务分解为可并行执行的小任务，充分利用现代高性能计算平台的多核多节点架构，显著提高计算效率领域分解是海洋模型最常用的并行化策略，将海洋区域按水平方向分割为多个子区域，每个子区域由单独处理器负责计算，子区域边界上的数据通过处理器间通信传递适用于共享内存系统，通过指令注释方式实现循环并行化，编程简单但扩展性有限；则适用于分布式内存系统，通过显式消息传递实现处OpenMP MPI理器间通信，可扩展性强但编程复杂度高现代海洋模型通常采用混合并行模式，在节点间使用通信，节点内使用线程并行，MPI+OpenMP MPI OpenMP以获得最佳性能和可扩展性高性能计算加速矢量计算GPU利用图形处理单元的大规模并行计算利用的矢量指令集（如CPU AVX-能力加速数值模拟包含数千个）同时对多个数据执行相同操作，GPU512计算核心，特别适合处理规则数据结提高计算效率矢量化是提高传统构上的并行计算任务通过或计算性能的重要方法，现代编译CUDA CPU等编程接口，可将海洋模器可自动进行部分矢量化优化，但手OpenACC型中的计算密集型部分移植到上动优化往往能获得更好性能海洋模GPU执行，显著提高计算速度最新的型的规则网格结构天然适合矢量计算，加速海洋模型可实现倍良好的矢量化可提升倍性能GPU10-1002-8的性能提升大规模数据处理高分辨率海洋模拟产生的海量数据需要专门的管理和分析技术包括并行技术、数I/O据压缩存储、分布式文件系统和在线分析可视化等最新的数据处理框架支持异步I/O和流式处理，减少数据传输瓶颈，提高整体模拟效率高性能计算技术是推动海洋数值模拟向高分辨率、长时间积分和复杂物理过程方向发展的关键驱动力随着超级计算机架构的演进，海洋模型需要不断适应新的硬件特性，通过算法创新和软件优化，充分发挥计算资源潜力气候变化检测93%

3.3mm海洋热吸收比例年均海平面上升全球变暖吸收热量中海洋所占比例过去年全球平均值2530%40%海洋酸化程度极端事件增加工业革命以来海洋酸度增加百分比与海洋热浪相关的事件增加比例气候变化检测是通过分析长期观测数据和模型模拟结果，识别气候系统中的非自然变化信号在海洋领域，关键的检测指标包括海表温度变化、海洋热含量趋势、海平面上升速率和海洋酸化程度等这些变化通常通过统计手段与自然变率区分，确定人类活动的影响程度长期变化趋势分析依赖于高质量的历史数据重建和现代观测网络，如浮标系统和全球海平面观测网络极端事件分析则关注海洋热浪、极端风暴潮和异常环流模式等现象的频率和强度变化多模型Argo集合分析可以提高检测结果的可靠性，降低单一模型或数据源的不确定性厄尔尼诺现象暖位相发展信风减弱，温暖水体东移，东太平洋表层温度升高，温跃层下沉，形成典型的厄尔尼诺条件这一过程通常从年中开始，随后逐渐增强成熟期东太平洋温度异常达到峰值，通常在冬季，海气相互作用形成正反馈，厄尔尼诺信号通过大气桥接影响全球气候，包括亚洲季风减弱、美洲降水异常等衰减转换温暖异常逐渐减弱，系统可能转向中性或拉尼娜状态这一转换过程涉及海洋波动调整和海气耦合过程，一般在次年春季完成厄尔尼诺南方涛动（）是热带太平洋区域最显著的海气耦合现象，以年的周期性振荡特征影-ENSO2-7响全球气候数值模拟现象需要准确表达热带太平洋的海洋动力学过程、海气相互作用机制和波传ENSO播特性当前气候模型在模拟的基本特征方面已取得显著进展，但在振幅、周期性和空间模态等细ENSO节上仍存在偏差预测是季节性气候预报的核心挑战，目前模型对提前个月的预测具有一定技巧，但预测技巧随ENSO6-9着春季预报障碍（即北半球春季预测能力显著下降的现象）而变化改进预测需要更好地理解触ENSO发机制、改进初始化技术和提高模型物理过程表达能力拉尼娜现象冷位相特征全球气候影响数值模拟方法拉尼娜是循环的冷位相，特征是热带东拉尼娜对全球气候的影响与厄尔尼诺大致相拉尼娜的数值模拟面临多方面挑战ENSO太平洋海表温度异常偏冷，中西太平洋温度反，但不完全对称主要影响包括捕捉东太平洋上翻流的精确强度和范围

1.略高于正常水平这种状态下，太平洋信风东南亚和澳大利亚北部降水增加，容易出•模拟海气耦合过程中的非线性反馈机制加强，温跃层在东部抬升，在西部下沉，冷

2.现洪涝水上翻增强，形成显著的东西温度梯度准确表达热带大气响应和遥相关模态

3.南美西海岸和北美南部更为干燥，干旱风•预测拉尼娜事件的持续时间和结束转换

4.拉尼娜期间，热带太平洋上的沃克环流加强，险增加降水中心更加集中在西太平洋地区，而东部高分辨率海气耦合模型通过改进温跃层动力北美中北部冬季更冷，降雪增加•则更加干燥这种海洋状态通常持续个6-18学表达和海气通量计算，提高了拉尼娜模拟大西洋飓风活动增强，特别是在加勒比地•月，有时可延续更长时间，形成多年拉尼娜的准确性多模型集合预报和机器学习方法区事件也越来越多地应用于拉尼娜预测印度夏季风降水通常增加，雨季表现更强•海洋生态系统模拟浮游生物动力学营养盐循环模拟浮游植物和浮游动物的生长、消亡和种群动追踪氮、磷、硅等营养元素在生物和环境间的循态环流动生态系统模型光照和温度效应整合物理、化学和生物过程的综合模拟系统模拟环境因子对生物生长和代谢的调控作用海洋生态系统数值模拟旨在表达海洋生物与环境之间的复杂相互作用，是理解海洋生物地球化学循环和预测生态系统响应的重要工具基础的海洋生态模型通常采用营养盐浮游植物浮游动物碎屑（）结构，表达最基本的物质循环过程---NPZD更复杂的模型可能包含多种功能群、多种限制性营养元素和详细的生理过程表达这些模型需要与物理海洋模型耦合，考虑环流和混合对生物分布的影响，以及生物反馈对物理环境的作用挑战在于平衡模型复杂性与参数不确定性，以及整合卫星遥感和现场观测数据进行模型验证和改进海洋生物地球化学营养盐通量生物碳泵营养盐是支持海洋初级生产力的基础主要营生物碳泵是将大气和表层海洋中的碳输送到深养盐包括氮（以硝酸盐、铵盐形式）、磷（以海和沉积物中的生物过程这一过程包括磷酸盐形式）和硅（对硅藻至关重要）营养盐通量涉及物理输运、生物吸收、再矿化和沉浮游植物通过光合作用固定无机碳•降等过程部分有机碳以颗粒形式沉降到深海•上升流区和河流入海口是营养盐输入的重要区另一部分通过食物网传递和溶解有机碳输•域，而寡营养盐的大洋环流中心区生产力则受出到限制铁等微量元素在某些海区也成为限制极小部分最终埋藏在沉积物中性因子•生物碳泵每年从表层海洋输送约，10-15PgC是全球碳循环的重要组成部分海洋酸化海洋吸收大气₂后发生一系列化学反应，产生氢离子，导致海水值下降，这一过程称为海洋酸CO pH化工业革命以来，海洋表层已下降约个单位（酸度增加约）pH

0.130%海洋酸化影响碳酸钙矿物饱和度，威胁珊瑚、贝类等钙化生物数值模型模拟表明，在高排放情景下，本世纪末海洋酸化将进一步加剧，可能再下降个单位，给海洋生态系统带来严重威pH

0.3-

0.4胁海洋环流变化大西洋经向翻转大西洋经向翻转环流（）是全球热盐环流的关键组成部分，负责将热带暖水输AMOC送到北大西洋高纬度地区，并将深层冷水向南输送观测和模拟研究表明，强AMOC度在过去几十年可能已经减弱气候模型预测，随着全球变暖和格陵兰冰盖融5-15%化加剧，本世纪可能进一步减弱，这将显著影响欧洲气候和全球碳循AMOC20-50%环南大洋环流南大洋环流系统包括强大的南极绕极流和南半球经圈翻转环流观测显示，近几十年来南半球西风带已向极地方向移动并增强，部分归因于臭氧层破坏和温室气体增加这一变化导致南极绕极流位置南移，强度略有增加，并影响上翻流模式模型预测这一趋势将在未来继续，可能改变南大洋碳吸收能力和全球热量分布印度洋环流印度洋环流以季风驱动的季节性反转为特征，对亚洲气候有重要影响观测显示印度洋正经历快速变暖，导致表层层化增强和氧含量减少模型模拟表明，这些变化可能导致印度洋环流和上升流系统减弱，影响区域生产力和渔业资源印度洋偶极子事件（一种类似厄尔尼诺的区域海气相互作用模态）的频率和强度也可能受到气候变化影响海平面变化热膨胀海水温度升高导致体积膨胀冰川融化陆地冰体融化水注入海洋海平面重建利用历史数据分析长期变化趋势海平面变化是气候变暖最直接的后果之一，也是沿海地区面临的主要威胁根据卫星测高数据，全球平均海平面自年以来以每年约毫米的

19933.3速率上升，且这一速率正在加速海平面上升的主要贡献因素是热膨胀（约占）和陆地冰体融化（约占），其中格陵兰和南极冰30-40%60-70%盖的贡献在近年来明显增加海平面变化的数值模拟需要结合海洋环流模型、冰盖动力学模型和地球物理模型模拟结果表明，在高排放情景下，本世纪末全球平均海平面可能上升米，而考虑到冰盖不稳定性，极端情况下可能超过米区域海平面变化与全球平均值存在显著差异，受到局地海洋环流、垂直地壳运

0.6-

1.12动和重力场变化等因素影响海洋观测系统浮标网络卫星测高海洋观测技术ARGO全球海洋计划是一个国际合作项目，卫星测高技术通过雷达测量卫星到海面的精除和卫星外，海洋观测系统还包括多Argo Argo目前维持约个自动剖面浮标，覆盖全确距离，结合卫星轨道信息，可以确定海面种互补技术固定锚系观测站可提供高频率4000球海洋每个浮标按预设程序在高度自年任务的时间序列数据；船载观测获取高精度1000-1992TOPEX/Poseidon CTD米深度漂流约天，然后上升至表以来，连续的卫星测高观测提供了全球海面的温盐深度剖面；水下滑翔机和自主水下航200010层同时测量温度和盐度剖面，浮出水面后通高度变化的高精度记录目前包括系行器实现灵活机动的三维观测；声学层析技Jason过卫星传输数据网络为研究海洋热列、系列在内的多颗测高卫星形成术利用声波传播特性反演大范围平均海况Argo Sentinel含量变化、盐度分布和环流结构提供了前所了观测网络，提供约天重访周期的全这些技术共同构成了全球海洋观测系统1-10未有的观测能力球覆盖（）的基础设施GOOS海洋数据同化卡尔曼滤波卡尔曼滤波是一种最优线性估计技术，通过预测校正过程，综合模型预测和观测信息，得到系统状-态的最优估计在海洋数据同化中，常用的变体包括集合卡尔曼滤波（）和局地集合变换卡尔EnKF曼滤波（）这些方法通过集合模拟结果估计背景误差协方差，避免了全维度协方差矩阵的LETKF计算，大大提高了计算效率3DVAR三维变分同化（）是一种通过最小化代价函数来寻找模型状态和观测之间最佳平衡的方3DVAR法代价函数通常包括背景场偏差和观测偏差两部分，加权系数由各自的误差统计特性决定方法计算效率高、实现相对简单，是业务化海洋预报系统的常用选择但其背景误差协3DVAR方差通常是静态预设的，难以反映流依赖的误差特性集合同化方法集合同化方法利用多个模型积分结果形成集合，通过集合统计特性估计模型状态的概率分布和不确定性除外，粒子滤波、混合集合变分方法和集合最优插值也属于这一类别EnKF-这些方法能够处理非线性和非高斯特性，更好地表征模型误差的流依赖性质，但计算成本较高，需要足够大的集合数以准确表征误差统计海洋数据同化是将观测资料与数值模型结合，得到海洋状态最优估计的技术它既可用于提高模型初始场质量、改进预报准确性，也可生成物理一致的历史海洋状态重建（再分析产品）随着观测系统和计算能力的发展，海洋数据同化技术日益精进，成为现代海洋科学和业务化海洋预报的核心技术海洋模型未来发展高分辨率模拟随着计算能力提升，海洋模型分辨率不断提高，从传统的°逐步发展到1°甚至°量级高分辨率使模型能够直接解析中尺度涡旋和次中尺度

0.

10.01结构，更准确地表达能量级联和混合过程，提高模拟的现实性未来十年，全球涡分辨模型将成为气候研究的主流工具子网格参数化即使最高分辨率的模型也无法解析所有尺度的物理过程，改进子网格参数化仍是模型发展的关键新一代参数化方案将基于能量守恒和物理一致性原则，整合观测和高分辨率模拟结果，更准确地表达小尺度过程对大尺度流动的影响随机参数化和概率表达也将得到更广泛应用机器学习应用人工智能和机器学习技术在海洋模型中的应用正迅速增长深度学习可用于改进参数化方案，发现传统方法难以捕捉的复杂非线性关系；数据驱动模型可辅助或部分替代物理模型，提高计算效率；混合建模将物理原理与机器学习相结合，在保持物理一致性的同时提高精度和效率海洋模拟软件科学计算数值计算MATLAB PythonFortran是科学计算和数据分析的广泛使用的已成为海洋科学研究中日益流行的开源尽管历史悠久，仍是大规模海洋数值MATLAB PythonFortran商业平台，为海洋数据处理和简化模型开发提编程语言，凭借其易用性和强大的科学计算生模拟的主导语言供强大支持其优势包括态系统卓越的数值计算性能，特别是数组操作•丰富的内置数学函数和统计工具、提供高效数值计算基础••NumPy SciPy为科学计算优化的语法和功能•优秀的可视化能力，支持复杂海洋数据呈、支持专业海洋图表••Matplotlib Cartopy成熟的并行计算支持（、）•MPI OpenMP现制作大多数经典海洋模型（如、）•MOM NEMO等专业扩展包简化海洋数提供数据分析和时间序列处理能力•Ocean Toolbox•Pandas均用开发Fortran据处理专为多维海洋和气候数据设计•xarray现代（）提供面向•Fortran F90/F2003+用户友好的开发环境，适合原型设计和教•支持大规模并行计算，处理超大数据对象特性•Dask学集对于计算密集型的海洋环流模型，的Fortran适用于数据分析、简单模型开发和结MATLAB结合了开发效率和足够的计算性能，特性能优势仍然明显，但开发周期较长，现代化Python果后处理，但在大规模数值模拟方面效率不及别适合数据处理流程和中等规模模型开发工具相对较少编译语言遥感数据处理卫星遥感反演数据预处理将卫星观测的电磁信号转换为海洋物理量的在分析之前对原始卫星数据进行清理和准备过程包括辐射校正（消除大气和仪器影的步骤包括缺失值处理（如时空插值填响）、地理配准和专用算法应用常见的海充）、异常值检测与剔除、传感器偏差校正洋参数反演包括海表温度（基于红外或微波和数据产品融合海洋卫星数据常见的干扰辐射测量）、海面高度（基于雷达测高）、源包括云覆盖（对可见光和红外数据）、降海表盐度（基于微波辐射）和海表风场（基水（对微波数据）和沿岸混合像素预处理于散射计或合成孔径雷达）反演算法通常技术如多尺度分解、最优插值和数据同化可基于物理模型、经验关系或机器学习方法以有效提高数据质量图像处理技术增强海洋遥感图像特征和提取信息的方法包括边缘检测（用于识别锋面和涡旋边界）、特征跟踪（用于计算表层流速）、纹理分析（用于表征海洋表面粗糙度）和时空滤波（用于分离不同尺度的过程）高级技术如小波分析、经验正交函数分解和神经网络分类能够从复杂的海洋图像中提取关键动力学特征和模态遥感数据处理是将原始卫星观测转化为有用海洋信息的关键步骤现代海洋科学研究越来越依赖多源、多尺度遥感数据的综合分析，这要求研究人员掌握先进的数据处理技术和工具随着机器学习和云计算的发展，海洋遥感数据处理正向自动化、智能化和大数据处理方向发展海洋数据可视化海洋数据可视化是将复杂的海洋观测和模拟数据转化为直观图形表示的过程，帮助研究人员理解海洋过程、识别模式和交流发现（GMT GenericMapping）是地球科学中广泛使用的绘图工具，专长于高质量地图制作和等值线图；可视化生态系统（、、等）提供灵活多样Tools PythonMatplotlib SeabornPlotly的绘图选项，从简单的时间序列到复杂的交互式图表；三维重建技术则能够立体呈现海洋环流结构，展示深层过程海洋模型边界条件开边界处理开边界是模型计算域与外部海域的人工分界线，需要特殊处理以允许扰动无反射通过，同时提供外部信息常用的开边界条件包括辐射条件（允许内部生成的波动离开计算域）、缓冲区技术（在边界附近逐渐将模型值调整到外部值）和特征分析方法（基于特征波理论处理不同物理信号）海岸线表达海岸线是海陆交界处的自然边界，其表达方式对近岸过程模拟至关重要在网格化过程中，海岸线可以用阶梯式表示（简单但不准确）、部分网格技术（通过部分浸水单元提高精度）或非结构化网格（最精确但计算复杂）海岸线处通常施加无滑移或部分滑移边界条件，并考虑潮汐和河流输入的影响地形插值海底地形是海洋模型的重要底边界条件，影响环流路径、波动传播和混合过程将原始高分辨率地形数据（如）插值到模型网格中需要特殊处理，以保持关键地形特征（如海峡、海ETOPO1山）同时避免数值不稳定常用技术包括选择性平滑、深度滤波和最小深度保证等地形插值还需确保质量守恒和压力梯度误差最小化边界条件处理是海洋模型设计中的关键问题，直接影响模拟的准确性和稳定性随着计算能力提升和观测数据增加，边界条件处理技术不断改进，从简单的固定值或气候态强迫发展到时变数据驱动和双向嵌套技术，大大提高了区域海洋模型的模拟能力海洋数值模拟前沿深度学习人工智能概率预测深度神经网络在海洋模拟中的应用正在快速发展，广义人工智能技术在海洋科学中的创新应用从确定性预报向概率预测的转变主要方向包括自动特征识别识别涡旋、锋面等海洋现象集合预报多初始条件、多参数或多模型集••参数化改进使用卷积神经网络学习小尺度合•智能数据同化优化观测信息与模型融合•过程，替代传统参数化方案贝叶斯方法融合先验信息与观测证据混合动力学模型结合物理原理和数据驱动••超分辨率重建从低分辨率模型输出恢复高•方法不确定性定量化系统评估预测可信度•分辨率细节模式识别发现气候系统中的新模态和关联极值统计评估极端事件风险概率••模型偏差校正学习并修正系统性模型误差•自适应采样优化观测系统设计和部署决策支持为风险管理提供概率信息框架••观测数据插值填充时空不连续的观测数据•缺口海洋模型验证方法海洋模型验证是评估模型性能和可靠性的系统过程统计评估方法包括计算模型结果与观测数据之间的偏差、均方根误差、相关系数和技巧得分等客观指标，还可利用泰勒图和目标图等图形工具直观展示模型性能这些指标可针对不同变量、时间尺度和空间区域分别计算，全面评估模型在各方面的表现敏感性分析通过系统改变模型参数、初始条件或强迫场，量化模型对不同因素的敏感程度，识别关键不确定性来源模型互比将不同模型在相同条件下的结果进行比较，有助于理解模型差异的结构性原因，识别共同缺陷和优势国际海洋模型比较计划（如、OMIP）提供了标准化的实验设计和评估框架，促进模型发展和改进CMIP海洋环流理论地转动力学大尺度海洋环流的基本平衡理论1准地转动力学考虑非平衡效应的近似理论涡旋动力学中尺度涡的形成、演化与能量转换海洋环流理论为理解和模拟海洋动力过程提供了基础框架地转动力学描述了科里奥利力与压力梯度力平衡的状态，是大尺度流动的首要近似这一理论解释了海洋中的西边界流增强、环流反对称性和温跃层结构等基本特征地转平衡允许通过密度场推导环流场，是海洋观测分析的重要工具准地转动力学在地转平衡基础上考虑时间变化和非线性项的影响，能够描述罗斯贝波和斜压不稳定等重要过程准地转方程组简化了原始方程，保留了关键动力学，是理想化模型研究的常用框架涡旋动力学则聚焦于中尺度涡的生成、演化和能量转换机制，解释了涡旋与平均流的相互作用、能量级联过程和涡致混合等现象，是理解海洋能量平衡和混合的关键海洋声学模拟声波传播海洋声学环境声学模型海洋中的声波传播是水下通信、探测和环境海洋声学环境包括以下关键元素海洋声学模拟模型可分为几类监测的基础声波在海水中的传播速度约为声速剖面决定声波传播路径，通常在表环境模型提供声速场、边界条件等声学•

1.米秒，受温度、盐度和压力的影响而1500/层混合层均匀，温跃层快速下降，深层缓环境参数变化这种变化导致声波路径弯曲，形成复慢上升传播模型计算声波在给定环境中的传播杂的传播模式

2.海底特性不同底质（泥、沙、岩石）对特性•声波传播模拟的核心是求解声波方程，主要声波有不同反射和吸收特性散射模型模拟声波与界面或目标的相互

3.方法包括射线理论（高频近似）、正则模海面状态风浪导致的粗糙表面影响声波作用•方法（低频适用）、抛物方程近似（中频高散射噪声模型模拟环境噪声的来源和分布

4.效）和直接数值求解（全频谱但计算量大）海洋内波和涡旋引起声速微扰，影响声•系统性能模型评估声学系统在特定环境

5.传播稳定性中的探测性能生物因素海洋生物噪声和气泡散射•现代海洋声学模型通常与海洋环流模型耦合，利用物理海洋模拟结果提供声学环境参数，实现端到端的海洋环境声学性能评估-海洋冰层相互作用-海冰动力学融化过程极地环流模拟海冰在风应力、海流拖曳力和内部应力作用海冰融化通过多种机制进行，包括上表面融极地海洋环流（如北极环状流和南极环状流）下发生变形和运动海冰动力学模型（如弹化（太阳辐射和气温影响）、底部融化（海受海冰影响显著模拟这些区域需要特殊考性粘塑性模型）描述这些过程，模拟海冰水热通量）和侧向融化（波浪和暖水接触）虑冰下边界层、盐水排出过程和多年冰动力-覆盖范围、厚度分布和漂移速度精确模拟这些过程涉及复杂的热动力学机制，如融水学冰架海洋相互作用（尤其是在南极）-海冰动力学对于北极航道预测和极地气候研池形成、盐水释放和淡水层稳定化效应，影进一步增加了模拟复杂性，涉及冰架底部融究至关重要响着局地热量平衡和混合层结构化、深水形成和温盐环流驱动等关键过程海洋冰层相互作用是极地气候系统的核心环节，影响全球海洋环流和热量传输完整的极地模拟需要耦合海洋、海冰、大气和陆冰模型，表达多圈层间的复杂-反馈机制海冰反照率反馈（冰面减少导致更多太阳辐射吸收）是气候变暖放大效应的主要原因之一，准确模拟这一过程对于气候预测至关重要海洋模型性能优化数值算法改进求解方法以提高精度和稳定性自适应时间步长根据流场特性动态调整•隐式求解器优化改进线性方程组解法•计算效率多网格方法加速收敛，提高求解效率•提高海洋模型的运行速度和资源利用率保守格式确保质量和能量守恒•代码优化减少内存访问，增强向量化效率•并行计算策略负载平衡优化计算任务在处理器间的分配•充分利用现代高性能计算架构优化减少数据存取瓶颈，采用并行•I/O I/O内存管理优化缓存使用，减少数据移动混合并行结合和发挥多层次并行••MPIOpenMP3性加速将适合的计算任务迁移到图形处理器•GPU通信优化减少进程间数据交换，隐藏通信延迟•动态负载均衡应对不均匀计算负载•海洋模型性能优化是确保高分辨率、长时间积分模拟可行性的关键随着模型复杂度和分辨率不断提高，计算需求呈指数级增长，传统的性能提升方法已不足以满足需求现代优化策略需要从算法设计、软件实现和硬件利用多方面综合考虑，适应异构计算架构的发展趋势海洋模拟中的不确定性参数不确定性海洋模型中包含大量经验参数，如混合系数、拖曳系数和扩散系数等，这些参数的准确值难以直接测量，通常基于有限观测或理想化理论估计参数不确定性是模型结果差异的主要来源之一，可通过参数敏感性分析和集合模拟评估其影响范围模型结构不确定性不同的物理过程表达方式、数值方法和网格结构选择导致模型结构不确定性例如，垂直混合参数化、平流格式和垂直坐标系统的不同选择会导致模拟结果显著差异这类不确定性难以量化，通常通过多模型比较或使用具有不同结构的模型集合评估概率预测面对不确定性，海洋模拟正从确定性预报向概率预测转变通过扰动初始条件、边界条件和模型参数生成集合预报，提供预测的概率分布而非单一结果这种方法可以量化预测的可信度，特别适用于极端事件风险评估和长期气候预测不确定性是海洋和气候模拟固有的特性，源于系统的复杂性、观测的不完整性和模型的简化假设了解和量化这些不确定性对于正确解释模型结果、评估预测可靠性和指导决策至关重要贝叶斯方法提供了一个融合先验知识和新证据的统一框架，越来越多地应用于海洋模拟的不确定性分析气候变化情景模拟°

1.5C

8.5温控目标高排放路径巴黎协定全球变暖限制目标情景辐射强迫值（）RCP

8.5W/m²26%2100海冰减少预测年限每十年北极夏季海冰面积减少率长期气候预测目标年份气候变化情景模拟通过设定不同的人类活动路径（如温室气体排放、土地利用变化），预测未来气候系统的可能状态代表性浓度路径（）是第五次评估报告采用的情景框架，包括低排放情景RCP IPCC（）、中等情景（）和高排放情景（），数字表示年相对工业化前的辐射强迫增量最新的第六次评估报告则采用共享社会经济路径（）框架，更全面地RCP

2.6RCP

4.5/

6.0RCP

8.52100IPCC SSP考虑社会经济发展因素海洋模拟在气候变化情景评估中扮演关键角色，预测海温变化、海平面上升、环流调整和海洋酸化等过程特别关注的是阈值性变化（如大西洋经向翻转环流减弱）和极端事件（如海洋热浪）的风险这些模拟结果为减缓和适应气候变化提供科学依据，支持国际气候谈判和区域气候行动规划海洋生态系统模型浮游生物动力学碳循环生态系统服务模拟浮游植物和浮游动物的生长、死亡、捕食关系和追踪碳在不同生物地球化学库之间的转移和转化包评估海洋生态系统为人类社会提供的价值和功能包垂直迁移等过程核心参数包括最大生长率、光合效括无机碳（溶解₂、碳酸氢盐、碳酸盐）和有机括支持服务（如初级生产力和营养循环）、调节服务CO率、温度响应系数和捕食率现代模型通常区分多个碳（溶解和颗粒态）的动态变化，以及气海交换、（如碳封存和气候调节）、供给服务（如渔业资源和-功能群（如硅藻、钙质浮游植物和固氮蓝细菌等），光合固定、呼吸释放和沉积埋藏等过程碳循环模型生物活性物质）以及文化服务（如休闲和美学价值）以更准确地表达生态系统结构和功能是评估海洋在气候变化中碳汇功能变化的关键工具生态系统服务模型将生物物理模拟与社会经济评估相结合，支持海洋资源管理决策海洋生态系统模型在复杂性上有很大差异，从简单的（营养盐浮游植物浮游动物碎屑）模型到包含数十个组分和上百个参数的复杂模型选择合适的复杂度需要平衡科NPZD---学目标、计算资源和参数不确定性随着计算能力提升和观测数据增加，生态系统模型正向个体为基础的建模方法和自适应特性表达方向发展，以更好地模拟生物多样性和适应性演化过程区域海洋模拟区域海洋模拟聚焦于特定海域的高分辨率模拟，能够解析局地过程和特征近海动力学模拟关注陆架环流、上升流系统和边界流动，需要精确表达地形效应、潮汐作用和风场变化这类模型通常采用嵌套网格或自适应网格技术，在关键区域提供更高分辨率，同时通过开边界条件与大尺度环流保持连接河口动力学模拟处理淡水与海水交汇区的复杂过程，需要表达盐度锋面、分层流动和沉积物输运这些模型通常需要同时考虑潮汐、河流径流和风场强迫，以及三维湍流混合过程海岸带过程模拟则整合了波浪、潮汐、环流和地貌变化，关注岸线演变、泥沙运动和污染物扩散等应用问题这些区域模型为沿海工程、海洋资源管理和环境保护提供科学依据海洋模型教育应用科研训练模拟实验海洋模型是培养学生科研能力的重要数值模拟为无法在实验室重现的海洋工具通过设计简化模型实验，学生现象提供虚拟实验室学生可以通可以验证理论概念，理解基本物理过过改变初始条件、边界条件或参数设程，培养科学直觉从简单的一维垂置，探索不同情景下的海洋响应，开直混合模型到二维风生环流实验，再展假设检验和敏感性分析这种交互到复杂的三维区域模拟，逐步提高学式学习方式帮助学生建立直观理解，生的建模能力和批判性思维培养实验设计能力数据分析模型生成的数据集是学习现代海洋数据分析方法的理想材料学生可以应用统计分析、时间序列处理、空间插值和可视化技术，从海量模拟数据中提取有意义的信息这些数据分析技能对于理解和解释实际观测数据同样适用，为未来科研工作奠定基础海洋模型在教育中的应用不仅限于海洋学专业，还可扩展到气候科学、环境工程、计算科学等跨学科领域简化的教学版模型（如开发的教育版海洋模型）和在线模拟平台降低了学MIT习门槛，使学生能够快速掌握建模基础，将注意力集中在科学问题而非技术细节上海洋模型前沿研究跨学科融合海洋建模正打破传统学科界限，融合物理海洋学、生物地球化学、生态学、计算科学和数据科学等多学科知识这种融合促进了从单一物理过程模拟向综合地球系统模型的转变，能够表达海洋系统的全部复杂性跨学科团队合作已成为海洋建模研究的常态，为解决复杂问题提供多角度视角和方法交叉学科研究海洋模型与其他研究领域的交叉正产生创新成果与卫星遥感结合，提高了数据同化和模型验证能力；与社会经济模型结合，支持海洋资源管理和沿海规划；与生物多样性研究结合，评估气候变化的生态影响；与高性能计算和人工智能交叉，开发新一代高效模拟方法这些交叉研究拓展了海洋模型的应用范围和科学价值未来发展方向海洋模型研究的未来方向包括发展无缝隙多尺度模拟能力，从全球到局部高分辨率；改进随机参数化和不确定性量化方法；整合实时观测与模型预报，发展数字孪生海洋系统；应用机器学习优化参数化方案和模型性能；开发便捷的模型评估和比较工具，促进社区协作；将海洋模型拓展到古气候研究和极端情景评估领域海洋模拟伦理与挑战数据共享开放获取建立开放、透明的数据共享机制，确保研究成果推动模型代码和工具的开源发展，降低研究门槛广泛传播包容性参与科学伦理3促进发展中国家科学家的平等参与和能力建设确保模型结果的负责任使用和准确解释海洋模拟面临多重伦理挑战研究资源不平等导致发达国家在模型开发和应用上占据主导地位，而许多沿海发展中国家尽管最容易受海洋变化影响，却缺乏参与高级模拟研究的能力解决这一问题需要国际合作、能力建设项目和技术转让，确保科学惠益公平分享数据透明度和可重复性是另一核心挑战大型模型的复杂性和计算需求使得独立验证结果变得困难科学社区正通过推动模型代码开源、标准化输出格式和详细记录模型配置等措施，增强研究透明度同时，科学家需要负责任地沟通模型结果的不确定性和局限性，避免误导决策者和公众，特别是在气候预测和极端事件风险评估等敏感领域海洋模拟的社会价值气候预测海洋资源管理减灾决策支持海洋模拟是气候预测系统的核心组件，海洋模拟为渔业管理、海洋保护区规划海洋模拟是沿海灾害预警和风险评估的从季节性预报到长期气候变化评估都发和生物多样性保护提供科学支持通过重要工具高分辨率风暴潮模型能够预挥关键作用由于海洋热容量大，变率模拟海洋环境变化对生物分布和生态系测飓风、台风等极端事件带来的海平面缓慢，是气候系统中重要的记忆载体，统功能的影响，帮助制定适应性管理策抬升和潮汐异常，为疏散和防护决策提对厄尔尼诺南方涛动等气候现象的准确略例如供时间长期海平面上升模拟则支持基-预测依赖高质量的海洋模拟础设施规划和社区适应预测有害藻华发生风险，保护水产养•这些预测为农业规划、水资源管理和公殖海洋模拟还应用于海上交通安全保障、共卫生准备提供科学依据，在许多发展溢油应急响应、海洋救援行动和海啸预评估海洋保护区网络的连通性和有效•中国家尤为重要随着模型精度和可靠警等多个减灾领域，直接保护生命和财性性提高，气候服务的经济效益和社会价产安全预测商业鱼类种群变动，支持可持续•值不断增长捕捞模拟海洋酸化对珊瑚礁和贝类的威胁•国际合作与协作大型科学计划国际海洋研究领域有多个大型协作计划，整合全球科研力量世界气候研究计划（）下的气候WCRP与海洋变率、可预测性和变化（）项目专注于海洋在气候系统中的角色；全球海洋观测系统-CLIVAR（）协调国际海洋观测网络；国际地圈生物圈计划（）下的海洋生物地球化学与生态系GOOS-IGBP统整合研究（）关注海洋生态系统响应全球变化IMBER国际数据共享数据共享平台是国际合作的重要基础设施国际海洋学数据与信息交换系统（）、全球海洋数据IODE同化试验（）和集合模式比较计划（）等框架促进了海洋观测和模拟数据的开放获取GODAE CMIP这些平台采用统一的元数据标准和数据格式，便于不同国家和机构间的数据整合和比较，加速科学发现和模型改进科研网络科研人员通过多种网络形式开展协作模型开发者社区围绕开源模型框架（如、）形NEMO MITgcm成；主题工作组聚焦特定科学问题（如海洋混合、边界层动力学）；能力建设网络促进发达国家与发展中国家间的知识传播和技术转让这些网络通过定期研讨会、培训班、访学交流和联合出版物等方式维持活力国际合作是应对全球海洋挑战的必由之路海洋不分国界，研究全球海洋系统需要各国协同观测、共享数据和集体智慧合作不仅提高了科学效率，避免重复工作，还促进了多元视角和互补专长的融合，产生更全面、更可靠的科学认识随着气候变化和海洋生态系统压力增加，加强国际海洋科学合作对于制定有效的全球海洋治理策略和实现可持续发展目标变得愈发重要海洋模拟展望技术创新方法革新跨学科发展未来十年，多项技术创新将推动海洋模拟能力跃升模拟方法论也将经历深刻变革跨学科融合将开辟新研究前沿量子计算有望解决特定类型的海洋模拟问题，如大从确定性模拟向概率模拟转变，更全面表达不确定社会生态物理耦合模型，评估人类活动与海洋•••--规模矩阵运算和数据同化性系统相互作用人工智能辅助参数优化和模式识别，提高模型效率混合模型方法结合传统物理模型与数据驱动方法的海洋健康指数模拟，量化多重压力下的生态系统状•••和准确性优势态增强现实和虚拟现实技术提供海洋数据的沉浸式可多尺度模拟技术，实现从微观湍流到全球环流的无极端事件归因系统，识别气候变化对海洋极端事件•••视化体验缝连接的影响物联网和边缘计算实现观测与模拟的实时融合自适应参数化方案，根据局部环境动态调整参数设古海洋重建与未来预测结合，扩展时间尺度理解•••置新型遥感技术扩展观测能力，为模型提供更丰富的海洋地球工程评估框架，分析干预措施的有效性和••验证数据数字孪生技术，构建实时更新的虚拟海洋，支持操风险•作性应用结语海洋数值模拟的重要性海洋数值模拟已成为理解海洋系统、预测其变化和支持决策的关键科学工具从基础研究到业务应用，从气候预测到资源管理，海洋模拟正在各个领域发挥越来越重要的作用随着计算能力提升和模型精度提高，海洋模拟将继续拓展我们对这一覆盖地球表面的复杂流体系统的认识70%未来研究方向海洋模拟的未来充满挑战与机遇关键发展方向包括提高多尺度过程表达能力；加强物理生物地-球化学生态系统耦合；改进不确定性量化和集合预报技术；发展数据同化和机器学习融合方法；增-强模型与决策支持系统的连接这些进步将使模型更好地服务于科学发现和社会需求科学探索精神海洋模拟的发展历程体现了科学探索的核心精神对自然的好奇、对真理的追求、对复杂性的尊重，以及面对挑战的创新勇气海洋科学家通过观测与模拟相结合的方法，不断推进对这一神秘而关键的地球系统组成部分的理解面对气候变化和海洋健康的全球挑战，这种科学精神比以往任何时候都更为重要海洋数值模拟是现代海洋科学的重要支柱，也是跨学科融合的典范从基本流体力学方程到复杂的地球系统模型，这一领域凝聚了几代科学家的智慧和努力随着计算技术的进步和观测系统的扩展，我们对海洋的理解正以前所未有的速度深化然而，海洋系统的复杂性和多变性意味着我们的探索永远不会终止，新的问题和挑战将不断涌现，推动海洋模拟科学继续前进。