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各位参与数值模拟中的大洋环流与海气相互作用课程本课程将全面介绍海洋环流系统的基本原理、海气相互作用的复杂机制以及现代数值模拟技术在研究这些现象中的应用大洋环流作为地球气候系统的关键组成部分，在全球热量和物质传输中发挥着至关重要的作用通过数值模拟，我们能够深入理解这一复杂系统的动力学机制，提高对气候变化的预测能力，为人类应对全球环境挑战提供科学依据本课程适合海洋科学、大气科学、计算科学等相关领域的研究人员和学生，将理论基础与实践应用相结合，帮助学习者掌握前沿的海洋环流数值模拟技术课件导论大洋环流的科学意义1大洋环流是地球气候系统的核心组成部分，通过跨纬度热量和物质传输调节全球气候海洋储存了地球以上的热量，环流系统将90%海气相互作用的复杂性这些热能重新分配到全球各地，直接影响区域气候格局2海气界面是地球系统能量、动量和物质交换的关键区域复杂的物理和化学过程通过多种非线性机制相互作用，形成多时空尺度的动数值模拟的重要性和挑战3力学系统，影响从天气到气候的各种现象数值模拟是研究大洋环流和海气相互作用不可或缺的工具它面临参数化方案、计算资源、多尺度耦合等挑战，但为科学家提供了在不同情景下进行实验的虚拟实验室，极大促进了海洋科学的发展大洋环流研究的历史背景早期海洋环流观测世纪航海探险家开始系统记录海洋洋流，本杰明富兰克林首次绘制墨西哥湾流图，为海洋环流研究奠定18·了观测基础科学理论发展历程世纪末至世纪初，埃克曼、斯韦德鲁普等科学家建立了海洋环流的理论框架，1920提出风驱动环流和热盐环流概念，解释全球尺度海洋运动规律现代数值模拟技术突破年代起计算机技术发展使海洋数值模拟成为可能，布莱1960恩等科学家开发了第一代海洋环流模型，如今已发展为高分辨率全球耦合模式系统大洋环流基本概念大洋环流的定义全球海洋环流系统大洋环流是指海洋水体在全球全球海洋环流又称大洋传送尺度上的有序流动系统，包括带，连接了大西洋、太平洋、表层环流、深层环流和垂直交印度洋和南大洋的表层与深层换过程环流以三维立体结构水体运动完成一次全球循环贯穿整个海洋，构成复杂的全需要约年，每秒输送超1000球水体运动网络过亿立方米的海水1主要驱动机制海洋环流主要由风应力和密度差异两种机制驱动风驱动的表层环流和热盐驱动的深层环流共同构成三维环流系统，在地球自转、海洋地形等因素影响下形成复杂动力学结构海洋环流的驱动力风应力驱动大气环流产生的风应力是表层海洋环流的主要驱动力热盐密度梯度海水温度和盐度差异导致的密度梯度驱动深层环流地球自转效应科氏力使环流形成环状结构和西边强化现象海洋地形影响海底地形和大陆边界引导洋流路径并影响涡旋生成这些驱动力相互作用，形成复杂的全球海洋环流系统风应力在表层传递动量，形成风生环流；温度和盐度差异在高纬度地区产生的密度变化驱动热盐环流；地球自转产生的科氏力使运动水体偏转，形成大尺度环流结构；海底地形则通过约束水体运动路径，影响环流模式和强度海气相互作用的基本物理过程热量交换机制动量交换海气界面通过感热通量、潜热通量和辐射交大气通过风应力向海洋传递动量，驱动表层换进行热量传递海洋吸收太阳辐射能并通洋流和混合风生流和斯托克斯漂移共同影过蒸发、对流和长波辐射将热量释放到大气，响海面波动和表层环流结构，形成复杂的动驱动大气环流力学过程气海界面动力学水汽通量-海表面粗糙度、波浪状态和边界层结构影响蒸发和降水构成水循环的海洋分支，影响海通量传输效率微物理过程和边界层湍流共水盐度分布净蒸发区和净降水区的差异导同决定海气之间物质和能量交换的速率和模致表层盐度梯度，是热盐环流的重要驱动因式素之一数值模拟的基本原理连续性方程动量守恒方程能量守恒方程状态方程描述流体质量守恒的基本方描述流体运动的纳维斯托克描述温度场演变的热力学方描述海水密度与温度、盐度-程，确保模拟中海水质量的斯方程，考虑科氏力、压力程，包括平流、扩散和源汇和压力关系的经验方程海严格守恒在不可压缩近似梯度、重力和摩擦力在大项海洋中的热量传输对气水状态方程的非线性特性是下，表现为流体速度散度为尺度海洋运动中，地转平衡候有重要影响，准确模拟能海洋热盐环流形成的物理基零，是海洋模式的核心约束是其重要特征，即科氏力与量收支是气候模式的关键础，直接影响海洋垂直稳定条件之一压力梯度力近似平衡性∂T/∂t+V·∇T=∂ρ/∂t+∇·ρV=0∂V/∂t+V·∇V+κ∇²T+Qρ=ρT,S,p2Ω×V=-∇p/ρ+g+F数值模拟网格类型经纬度网格传统的笛卡尔坐标系网格，在全球模拟中广泛使用具有结构简单、编程方便的优点，但在极地地区网格汇聚导致数值不稳定，需要特殊处理经纬度网格在低纬度区域效率较高，但计算极地过程时面临挑战曲线坐标网格适应复杂地形的非正交网格系统，在区域海洋模式中常用通过坐标变换使网格线与海岸线、地形等自然边界对齐，提高边界处理精度曲线坐标网格能更好地解析复杂地形，但增加了计算复杂性球面网格避免极点奇异性的改进网格，如六边形网格、三角形网格等这类网格在全球分布更均匀，避免了传统经纬网格在极地的计算问题球面网格具有全球一致的分辨率，但网格拓扑结构复杂，求解效率可能降低嵌套网格技术在关键区域增加分辨率的多层嵌套方法通过在全球低分辨率网格中嵌入高分辨率子区域，实现计算资源的高效利用嵌套网格技术可以在保持计算效率的同时，提高重点海域的模拟精度数值离散化方法有限差分法有限元法谱方法有限体积法使用泰勒级数展开近似微基于变分原理，将求解域利用正交函数系展开，将基于控制体积上的守恒律，分方程中的导数项，在结划分为有限个单元，构造偏微分方程转化为常微分直接离散积分形式的控制构化网格上实现简单高效分片连续近似解有限元方程组谱方法在光滑问方程有限体积法严格保有限差分法是最早应用于法适应复杂几何边界，在题上具有高精度和高效率，持质量、动量等物理量守海洋模拟的方法，具有理非结构化网格上具有优势广泛用于全球大气环流模恒，在处理不连续流动时论基础清晰、易于实现的近年在海洋模拟中应用增拟在处理周期性边界条优势明显近代海洋模式优势广泛应用于大尺度多，特别是在处理复杂海件和均匀分辨率需求时表如等采用此方法，FVCOM海洋环流模式，如、岸线和地形变化区域现出色特别适合模拟沿海复杂流MOM等经典模式动POP数值模拟中的数值格式显式格式隐式格式半隐式格式直接使用已知时刻信息计算下一时刻的新时刻的解通过求解方程组获得，计算对不同物理过程采用不同时间离散格式，解，实现简单但受条件限制时间步复杂但数值稳定性好隐式格式在每个平衡稳定性和效率半隐式格式是一种CFL长在显式格式中，新时刻的解可以直时间步需要解一个大型方程组，通常采混合方法，通常对传播速度快的波动采接从当前时刻的值计算得到，计算过程用迭代方法如共轭梯度法求解用隐式处理，对其他过程使用显式方法直观隐式格式的主要优势在于无条件稳定性，主要优点是编程简单、每步计算量小；可以使用较大的时间步长，在处理刚性这种方法成功地将大时间步长的优势与缺点是为保证计算稳定性，时间步长必问题（如海洋中的重力波传播）时尤为计算简便性结合起来，是现代海洋和大须非常小，特别是在高分辨率模拟中，有效，但每步计算量大且需要更多内存气模式中最常用的时间离散策略如分计算效率会大幅降低裂显隐格式是大气海洋模拟的核心技术-之一湍流参数化湍流动量通量海洋中的湍流混合对动量的垂直输送至关重要，通常采用涡黏性概念参数化湍流动量通量决定了风应力如何从表层向下传递，以及不同水层之间的动量交换效率准确的动量通量参数化是模拟表层海流和深层环流相互作用的关键湍流能量传递描述湍流动能产生、传输和耗散的过程，影响混合强度湍流动能方程跟踪湍流从产生到消散的完整过程，包括剪切产生、浮力抑制产生和耗散三个主要环节二阶湍流封闭/模型通常包含湍流动能的显式计算湍流闭合模型从简单的常系数模型到复杂的湍流动能耗散率模型，不同复杂度的参数化方-k-ε案一阶闭合直接参数化湍流通量，二阶闭合引入湍流特性方程，如模型、k-ε模型等高阶闭合能更好地表示湍流的非局部特性Mellor-Yamada大涡模拟直接模拟大尺度湍流结构，小尺度湍流仍需参数化大涡模拟是介于直接数值模拟和湍流参数化之间的方法，能够解析较大尺度的湍流结构在海洋上层混合层和潮汐混合区域研究中应用增多海洋动力学模型原始方程模型层结海洋模型完整求解纳维斯托克斯方程，保留所将海洋划分为若干密度层，简化垂直结-有物理过程构计算全球海洋模型海洋环流简化模型综合多尺度过程，模拟全球海洋环流系引入准地转、浅水等近似，适用于特定统现象研究海洋环流模型根据研究需求和计算资源有不同层次的简化原始方程模型如、等，求解完整的运动方程，适用于广泛的MOM HYCOM动力过程研究层结模型简化了垂直坐标处理，在研究大尺度环流时具有计算效率优势简化模型针对特定现象，如平衡、SVERDrup西边界流强化等理论研究全球模型则整合多种动力过程，为气候预测提供海洋组件大气边界层模型边界层结构海洋上的大气边界层具有典型的三层结构表面层、混合层和顶部逆温层表面层直接与海面接触，存在强烈的垂直梯度；混合层内湍流充分发展，物理量垂直均匀；顶部逆温层阻止湍流向上传播，形成边界层顶通量计算方法采用梯度输送理论、相似理论或直接湍流通量计算方法确定海气界面通量Monin-相似理论是最常用的表面层通量参数化方法，考虑稳定度对垂直交换的影响；梯Obukhov度法基于温度、湿度和风速的垂直梯度估算通量；湍流相关法直接计算脉动相关边界层参数化从一阶封闭方案到高阶湍流模型，不同复杂度的参数化描述湍流混合过程一阶封闭（K理论）假设湍流通量与平均梯度成正比；阶引入湍流动能方程；二阶模型求解湍流动

1.5能和耗散率，可更好地描述稳定不稳定条件下的湍流特性/湍流输送机制包括机械湍流和热力湍流，分别由风切变和浮力驱动机械湍流源于风速垂直切变，强度与风速和粗糙度相关；热力湍流源于温度梯度造成的浮力，在不稳定成层时增强混合，稳定成层时抑制混合两种机制共同决定边界层的发展和结构海气耦合模型基本原理耦合模型设计1海气耦合模型将独立的海洋和大气模式组件通过耦合器连接，实现双向信息交换耦合设计需要确定交换变量、交换频率和插值方法，平衡物理一致性与计算效率现代耦合模型通常采用模块化结构，便于各组件独立发展和灵活配置通量交换方案2在海气界面交换动量、热量和淡水通量，可采用直接通量法或批量参数化方法直接通量法在模式间传递已计算的通量值；批量方法传递状态变量（如温度、风速），由接收模式计算通量后者可保证通量守恒，但可能引入物理不一致时间尺度匹配3海洋和大气系统具有不同的特征时间尺度，需要合理设计耦合频率大气过程时间尺度短（小时天），海洋过程较长（天年）耦合频率必须足够高以捕捉关键交互过程（如日循--环），但过高会增加计算开销现代模式通常采用多时间尺度耦合策略数值稳定性4耦合系统的数值不稳定性主要来自时间积分方案和界面通量处理显式耦合可能引入耦合激发振荡，尤其在热带海域解决方法包括采用隐式耦合、通量调整技术或增强阻尼，权衡稳定性与计算效率耦合模式的保量特性对长期气候模拟至关重要海气耦合模型分类海气耦合模型根据耦合程度和应用目标分为不同类型全耦合模型实现海洋、大气、海冰等所有成分的完全双向耦合，适用于全球气候变化研究；部分耦合模型有选择地耦合某些过程，平衡复杂度和效率；多尺度耦合模型结合不同分辨率的组件解决尺度差异问题；嵌套耦合模型在全球低分辨率背景下嵌入高分辨率区域，提高关键区域的模拟精度数值模拟中的初始条件观测数据同化通过同化卫星、浮标等观测数据生成最佳初始场数据同化是一种将离散观测数据与模式动力学融合的技术，目标是生成物理一致的三维海洋状态常用方法包括最优插值、变分同化和集合卡尔曼滤波，各有优缺点和适用范围气候态初始场使用长期平均的季节性或月平均状态作为初始条件气候态初始场主要基于历史观测和再分析数据集，代表海洋的平均状态这种方法适用于气候敏感性研究，但缺乏特定历史事件的细节，不适合天气尺度预测敏感性实验通过扰动初始场不同变量研究模式对初始条件的敏感度这类实验系统地改变初始条件的某些方面，如温盐分布或流场结构，评估模式响应的变化敏感性实验有助于理解海洋预测的不确定性来源和可预报性限制初始扰动设计在集合预报中合理设计初始扰动以覆盖可能状态空间初始扰动设计是集合预报系统的核心，目标是用有限样本代表初始条件的不确定性常用方法包括奇异向量、繁殖向量和集合变换卡尔曼滤波，各有特点和技术挑战边界条件处理海陆边界条件确定海水与陆地接触面的动力学行为开边界处理允许区域模式与外部环境交换信息表面通量边界处理海气界面的动量、热量和淡水交换辐射边界条件允许波动能量无反射地穿过边界边界条件是数值模拟中的关键环节，直接影响模拟结果的准确性海陆边界通常采用无滑移或部分滑移条件，并考虑近岸流动的特殊处理开边界条件在区域模拟中特别重要，常用方法包括缓冲区域、嵌套边界和特征边界条件表面边界处理海气交互，关键是准确计算风应力、热通量和淡水通量辐射边界条件允许内部生成的波动离开计算域，减少人工反射，广泛应用于潮汐和内波模拟海洋动力过程数值模拟海流模拟涡旋动力学深海环流近岸过程全球大尺度环流如西边界流、中尺度涡旋是海洋能量最活以热盐环流为代表的深海环包括上升流、河口羽流和潮赤道流等是海洋动力学模拟跃的部分，对物质和能量传流对气候变化有长期影响汐混合等复杂过程，需要高的基础内容模拟需要准确输至关重要涡旋分辨模式模拟深海环流需要准确表示分辨率和特殊参数化近岸再现西边界流的强化机制、需要水平分辨率达到°水团形成过程，特别是极地模拟通常采用非结构化网格1/10赤道流系统的季节变化及中以上，才能解析关键的斜压和近底边界层的处理密度或嵌套网格提高分辨率，并纬度环流的风驱动动力学不稳定过程涡旋参数化在流下泻过程的参数化是深海引入特殊的湍流和混合参数高分辨率模拟能够捕捉湾流、低分辨率模式中仍是挑战，环流模拟的关键，直接影响化方案陆架深海交换过程-黑潮等强流的锋面结构和蛇方案是常经向翻转环流强度是连接近岸和大洋环流的关Gent-McWilliams行过程用的近似方法键环节气海热量交换模拟-水汽通量模拟水汽通量是全球水循环的关键组成部分，连接海洋和大气水分过程湿通量计算基于风速、湿度差和海表温度，采用批量公式或直接湍流通量测量海洋蒸发提供全球大气约的水分来源，其时空分布受海温、风速和相对湿度控制降水则是海洋淡水输入的主要86%形式，热带辐合带和中高纬风暴轨道是主要降水区域大气中的水汽传输构成复杂的三维结构，连接不同海域的蒸发源和降水汇，对于理解全球和区域水循环至关重要海洋混合层动力学10-200m60%混合层厚度表层涡动能量从热带到极地区域的典型变化范围集中在混合层内的比例90%气海通量-通过混合层传递的比例海洋混合层是连接海洋与大气的关键界面，其动力学特性直接影响海气相互作用效率混合层结构受风应力、浮力通量和湍流混合共同塑造，表现出明显的日变化和季节变化特征涡动混合是混合层内能量传递的主要机制，由风生湍流和对流不稳定共同驱动钝化混合发生在层化增强时期，抑制垂直混合并形成季节性温跃层混合层深度参数化是海洋模式的核心部分，常用方法包括能量平衡模型、湍流闭合模型和诊断方法，各有优缺点和适用条件海洋生物地球化学过程碳循环模拟营养盐输送追踪碳在海洋中的转化和迁移，包括物理模拟氮、磷、硅等关键元素的循环和限制和生物泵作用海洋生态系统模型浮游生物动力学整合物理、化学和生物过程的综合模拟系描述初级生产力和食物网结构的演变统海洋生物地球化学过程模拟在海洋科学中日益重要，连接物理环流与生态系统动力学碳循环模拟追踪无机碳和有机碳的转化，物理泵和生物泵是两个关键机制营养盐输送模拟需考虑上升流、河流输入和大气沉降等多种来源，以及生物利用和再矿化过程浮游生物动力学包括光合作用、生长、捕食和死亡等过程，通常采用功能群分类方法综合生态系统模型如、等将这些过程整合，与物理环流模型耦NPZD NEMURO合形成生物地球化学物理海洋模式-海洋碳循环模拟海洋碳汇机制海洋每年吸收约的人为碳排放，通过物理溶解和生物泵两种主要机制溶解泵依赖于30%₂在海水中的溶解度和海气分压差，受温度和碱度控制生物泵通过浮游植物光合作用将CO-溶解无机碳转化为有机碳，部分沉降至深海，实现碳的垂直输送人为碳排放模拟模拟工业革命以来人为₂进入海洋的过程及影响海洋吸收人为碳的速率受表层混合、垂直CO交换和碳酸盐化学平衡控制长期模拟表明海洋吸收能力可能随全球变暖而减弱，形成正反馈模拟还需考虑碳排放的不同情景，评估未来海洋碳汇变化碳通量计算基于风速、海气₂分压差和传输系数计算海气界面碳交换碳通量计算采用批量公式-CO-F=₂，其中为气体传输速率，与风速和海表温度相关全球海气碳通量监测网络提供k·ΔpCO k-了验证模型的数据基础不同海区季节性通量差异很大，赤道外逸区通常是碳源，高纬度区域为碳汇海洋酸化模拟预测海洋值降低及其对海洋生态系统的影响₂溶解形成碳酸，降低海水值和碳酸盐pH COpH饱和度酸化模拟需要精确的海洋碳酸盐化学模块，计算值、总碱度和碳酸盐饱和状态模pH型预测表明，极地和上升流区域酸化速率更快，对钙化生物构成威胁海洋生态系统模拟浮游生物分布浮游植物是海洋初级生产者，其分布受光照、营养盐和温度控制模拟通常将浮游植物分为多个功能群，如硅藻、甲藻和蓝藻等，具有不同的生长特性和营养需求卫星叶绿素数据提供了全球浮游植物分布的观测约束，是验证生态模型的重要基础营养盐动力学氮、磷、铁等营养盐的循环和限制作用决定了海洋生产力模拟包括河流输入、大气沉降、上升流补充和再矿化过程，以及不同生物对营养盐的竞争和利用铁限制在大洋中部高营养低叶绿素区域尤为重要，是连接气候和海洋生态系统的关键环节生态系统功能包括初级生产、次级生产、微生物循环和有机物降解等关键过程模拟需要描述不同营养级的能量流动和物质循环，如浮游动物对浮游植物的捕食、细菌对溶解有机物的分解等各个功能组之间的相互作用构成了复杂的海洋食物网，支持整个生态系统运转生物地球化学循环海洋中碳、氮、磷、硅、铁等元素的生物驱动循环过程模拟追踪关键元素在溶解无机态、颗粒有机态和溶解有机态之间的转化生物泵和微生物循环是连接表层和深层循环的桥梁，对海洋碳储存和气候反馈有重要影响元素计量比的可变性是近期模型发展的重点数值模拟的不确定性分析观测数据同化技术最优插值法变分同化集合卡尔曼滤波基于观测和背景场的统计特性，计通过最小化代价函数，寻找最符合结合集合预报与卡尔曼滤波，动态算最优线性估计最优插值是观测和动力约束的状态三维变分估计背景误差协方差集合卡尔曼OI最早应用于海洋的同化方法，计算和四维变分同滤波通过有限样本估计流依3D-Var4D-Var EnKF简单且易于实现它假设背景误差化在一个或多个时间点上匹配模型赖的误差统计特性，避免了线性假和观测误差服从正态分布，并利用与观测技术能考虑观测设的限制特别适合非线性强4D-Var EnKF协方差矩阵确定观测信息的权重的时间分布和模型动力学约束，但的系统，且便于并行计算局地化尽管有计算效率高的优点，但难以计算成本高，需要伴随模型开发和通胀技术是解决小样本问题的关处理复杂的误差结构和非线性问题它在操作海洋预报中被广泛采用键改进同化4D-Var考虑观测时间分布的四维变分同化，是当前最先进的方法通4D-Var过优化整个时间窗口内的模型轨迹，充分利用观测信息和模型动力学它能有效处理非线性观测算子和复杂约束条件，但需要开发和维护伴随模型，且数据窗口外预测技巧可能迅速下降海洋再分析产品产品名称分辨率时间范围同化方法主要特点°×°至今长时间序列，SODA

0.

50.51958-OI气候研究°×°至今准实时更新，GODAS

10.331980-3D-Var监测ENSO°×°至今物理一致性，ECCO111992-4D-Var热量守恒°×°至今高分辨率，涡GLORYS

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250.251993-EnKF旋解析海洋再分析产品是通过数据同化将历史观测数据与海洋模式结合，生成一致、完整的历史海洋状态估计全球海洋再分析通常覆盖全球海域，分辨率从°到°不等，时间范围从几十年到

10.25上百年区域海洋再分析专注于特定海域，如南海、北太平洋等，具有更高的空间分辨率，能够解析中尺度过程再分析数据质量评估通过与独立观测对比、一致性检验和不确定性量化等方法进行这些产品为长期气候变化研究提供宝贵数据基础，支持海洋变暖、环流变化和极端事件分析气候变化背景下的海洋环流全球变暖影响海洋环流变化极端气候事件海洋吸收了气候系统多余热量的以观测和模拟均表明全球变暖条件下环流海洋热浪频率和强度增加，对海洋生态90%上，导致全球海洋从表层到深层普遍变模式正在发生变化西边界流如墨西哥系统造成严重影响如年2013-2015暖暖化不均匀分布，热带扩张和极地湾流和黑潮可能北移，强度和位置变化北太平洋暖水团和年塔2017-2018放大效应明显海洋热容量增加导致热大西洋经向翻转环流存在减弱斯曼海热浪都导致大规模珊瑚白化和鱼AMOC膨胀，是海平面上升的主要贡献者表趋势，可能对北大西洋和欧洲气候产生类死亡热带气旋强度可能增加，与海层变暖增强层化，可能削弱垂直混合和显著影响副热带环流受西风带位移影表温升和海洋热含量增加相关极端海营养盐输送响，边界范围可能发生变化平面事件风险增加，威胁沿海人口和基础设施厄尔尼诺南方涛动模拟-动力学ENSO是热带太平洋海气耦合系统的主导模态，涉及贝叶尔反馈、延迟振荡器机制和西风暴发等关键ENSO过程厄尔尼诺期间，贸易风减弱，暖水东移，冷水上升减弱；拉尼娜期间则相反动力学本ENSO质上是热带太平洋海气系统的不稳定模态，周期约年2-7耦合模式模拟准确模拟需要海气耦合模式，重点是热带太平洋热力结构和风应力反馈的再现早期模型存在ENSO双问题和冷舌区偏差，影响模拟最新模型在振幅、频率和空间模态方ITCZ ENSOCMIP6ENSO面有显著改进，但多样性仍是挑战模拟的多样性（如中太平洋型东太平洋型）成为研究热ENSO vs点预测技术预测采用统计方法、动力学模式和混合方法，提前个季度有较好技巧统计预测利用海温、ENSO2-3风场等前期信号；动力学预测基于初始化的耦合模式积分；混合方法结合两者优势春季预报障碍是预测的主要挑战，可能与热带大西洋和印度洋的遥相关有关ENSO气候影响通过大气桥和海洋通道影响全球气候，产生广泛的遥相关效应厄尔尼诺通常导致南亚和澳大ENSO利亚干旱，美国南部湿润；全球平均温度升高气候变化可能改变特性和遥相关模态，是当前ENSO研究重点多样性（强度、类型、持续时间）导致全球影响的差异性也是模拟的挑战ENSO北大西洋振荡模拟正位相负位相年代际变率NAO NAO冰岛低压和亚速尔高压增强，西风带北移冰岛低压和亚速尔高压减弱，西风带南移存在显著的年代际变化，如世纪NAO20加强欧洲经历温暖湿润的冬季，而地中减弱欧洲经历寒冷干燥的冬季，而地中年代负位相主导，年代转为持60-7090海地区则相对干燥正位相下，北大西洋海地区则相对湿润负位相下，冷空气可续正位相这种长期变化与大西洋多年代风暴路径偏北，影响斯堪的纳维亚和北欧深入南欧和地中海，造成异常低温北大振荡、北极海冰变化和平流层环流AMO大西洋中纬度海温呈现三极型异常，影响西洋风暴活动减弱，海洋混合层深度减小，关系密切模拟的年代际变率需要考NAO热量交换和环流结构影响次表层水团特性虑海冰大气反馈、平流层对流层耦合和--海陆对比等多种因素海洋涡旋动力学模拟中尺度涡旋海洋中尺度涡旋是尺度为公里的旋转结构，是海洋中能量最活跃的部分这些涡旋10-100由斜压不稳定、风应力卷曲和地形作用等机制生成，典型生命周期为数周至数月涡旋解析模式需要水平分辨率至少达到°，才能捕捉关键的涡旋生成和演变过程1/10锋面动力学海洋锋面是温度、盐度或密度快速变化的狭窄区域，常伴随强烈的水平流速切变锋面不稳定是中尺度和次中尺度涡旋的重要来源，表现为蛇行、脱落环和细丝化等现象次中尺度过程公里需要更高分辨率模拟，是当前海洋建模的研究前沿1-10涡旋能量传递涡旋在海洋能量循环中扮演关键角色，实现大尺度与小尺度之间的能量转换正压不稳定将动能从平均流传递给涡旋；斜压不稳定则将势能转化为涡旋动能涡旋还通过非线性相互作用和反向级联，影响更大和更小尺度的流动，构成复杂的能量传递网络涡旋平均流相互作用-涡旋通过雷诺应力和涡旋通量影响平均环流的结构和强度涡旋驱动的再层化作用抵消风驱动的混合，维持海洋的层化结构在无法直接解析涡旋的低分辨率模式中，Gent-McWilliams参数化是模拟涡旋输运效应的主要方法，但仍存在改进空间，特别是在强流区和复杂地形区深海环流模拟热盐环流热盐环流是由海水温度和盐度差异驱动的全球尺度深层环流系统密度驱动的下沉主要发生在北大西洋和南大洋高纬度区域，形成北大西洋深层水和南极底层水这种大洋传送带以每秒数千万立方米的速率输送海水，是全球热量重新分配的关键机制模拟热盐环流需要准确再现高纬度区域的水团形成过程深海水团转换深海水团转换是连接表层和深层环流的关键过程，包括垂直混合、斜压混合和绝热上升下沉北大/西洋深水形成区的对流过程尺度小但强度大，需要特殊参数化或局部高分辨率南大洋斜坡对流和陆架水形成对南极底层水生成至关重要海冰形成释放的高盐水下沉对极地密集水形成起着重要驱动作用全球经向翻转流全球经向翻转环流描述了大洋尺度上的南北向垂直环流结构大西洋强度约为MOC MOC15-，对欧洲气候有显著影响太平洋和印度洋相对较弱，但对区域气候同样重要准确20Sv MOC模拟需要同时解析风驱动的输运和密度驱动的地转流，并考虑中小尺度过程对大尺MOC Ekman度环流的影响深海动力学过程深海动力学过程包括地形波、内潮汐、边界流和深海涡旋等多种现象这些过程对深层水的混合和传输有重要影响，但由于观测困难且计算开销大，常被简化处理深海混合的参数化是模式发展的重点，传统常数扩散模型已被改进为考虑地形增强混合的变系数模型海山和海脊等地形特征通过波动生成和流动引导影响深层环流结构海冰海洋相互作用-海冰海洋相互作用是极地气候系统的核心部分海冰动力学描述冰盖的运动、变形和厚度变化，主要由风应力、海流拖曳和内部应力-控制冰海界面过程包括热量传递、盐分交换和动量传输，这些过程受边界层结构和冰下粗糙度影响海冰形成过程中排出的盐水增-加了表层海水密度，驱动深层对流和水团形成融化期间则形成低密度淡水层，增强层化并抑制垂直混合北极海冰在全球变暖背景下呈现显著的减少趋势，夏季冰盖面积已减少以上，厚度减薄超过一半，对区域辐射平衡和全球气候有深远影响40%沿岸海洋动力学上升流过程沿岸水团特征沿岸上升流是由平行海岸的风驱动的，通沿岸区域常形成特征鲜明的水团，如河口过输运将近海表层水推向离岸方向，Ekman羽流、上升流水和陆架水等这些水团由引起深层冷水上升补偿典型上升流区如温度、盐度、营养盐和溶解氧等特性区分，加利福尼亚、秘鲁智利、西非和孟加拉湾-反映了陆地影响和海洋过程的相互作用等地区具有高生产力特征上升流强度的沿岸锋面是不同水团的交界区，通常伴随季节和年际变化对渔业和碳循环有重要影着高生物活动性和丰富的渔业资源响近岸生态系统河口动力学沿岸海域是生产力最高的海洋区域，支持河口是淡水与海水混合的过渡区域，具有全球以上的渔业产量上升流带来的60%复杂的环流结构和强烈的层化特征盐度营养物质、河流输入的有机质和高效的光锋面、潮汐混合和河流冲淡水羽流是河口合作用共同促进了近岸生态系统的繁荣关键动力过程河口环流通常表现为表层气候变化和人类活动对这些系统构成压力，向海、底层向陆的双层流结构，对沉积物如海洋酸化、缺氧区扩大和过度捕捞等和污染物输运有重要调控作用海洋内部波动内波动力学内部潮汐波波相互作用-内波是存在于海洋密度层化介质中的波内部潮汐是由表面潮汐与海底地形相互不同频率、波长的内波之间通过非线性动，波幅可达数十米但表面几乎不可见作用产生的内波，是深海能量传递的主作用相互影响，产生能量级联近惯性内波的传播速度远低于表面波，典型周要途径半日潮是最强的内潮分量，内波与内部潮汐相互作用产生次谐波，M2期从几分钟到几小时不等内波动力学在全球海洋产生约的能量转换内是深海能量转移的重要机制参数化次1TW受地球自转、层化强度和地形影响，表潮生成热点包括夏威夷海脊、吕宋海峡级不稳定性和引导共振是描述波PSI-现出复杂的色散关系和模态结构和南海北部等地形陡峭区域波相互作用的理论框架内潮模拟需要同时考虑天文潮汐力、地高分辨率三维数值模拟能够直接解析波-数值模拟内波需要足够的垂直分辨率来形相互作用和背景层化结构全球模式波相互作用过程，但计算开销巨大，通解析波动结构，特别是在温跃层区域需要约°分辨率才能解析主要内潮，常仅用于局部区域研究全球模式中这1/10非静力模式对于准确模拟短周期内波至区域高分辨率模式则可研究内潮的精细些过程主要通过能量转移参数化方案处关重要，但计算成本显著增加结构和传播特性理数值模拟计算技术⁶10100x典型网格点数计算加速比高分辨率全球海洋模式的数量级并行计算相对串行计算的提升10PB数据存储需求长期全球高分辨率模拟的典型规模数值模拟的计算技术是海洋模式发展的关键支撑高性能计算系统是运行复杂海洋HPC模式的基础设施，当前顶级超级计算机可提供每秒百亿亿次浮点运算能力并行计算技术通过区域分解、任务分解等策略实现多处理器协同计算，但通信开销和负载平衡是主要挑战加速利用图形处理器强大的并行计算能力，对海洋模型中的向量和矩阵运算特别GPU有效，已实现数倍至数十倍的性能提升云计算平台为研究者提供了灵活的计算资源，避免了硬件投资，特别适合间歇性大规模计算和多机构协作项目模式输出分析方法海洋模式验证方法模式评估指标客观量化模式性能的数学指标，包括均方根误差、相关系数、偏差和技巧评分等这些指标从不RMSE同角度评价模式与观测的一致性，如反映绝对误差大小，相关系数表示变化趋势的一致性RMSE图是综合显示多种统计指标的有效工具，允许同时比较多个模式的性能复杂过程评估需要设计Taylor特定指标，如特征、涡旋特性和垂直混合效率等ENSO观测对比将模拟结果与各类海洋观测数据进行系统对比卫星数据提供全球覆盖的海表温度、海面高度和表层流场等；浮标网络提供中深层温盐结构；锚系观测和调查提供垂直剖面和时间序列观测对比需考虑观Argo测误差和代表性误差，通常采用模式到观测的策略，即将模式输出转换为与观测相同的物理量和采样模式，而非直接比较不同性质的数据模式间比较通过标准化实验设计，比较不同模式在相同条件下的表现模式比较项目如、等为海洋模式CMIP OMIP提供了统一的评估框架对比重点包括大尺度环流特征、水团分布、混合层特性和能量平衡等方面模式间比较有助于识别共同偏差和模式特有问题，推动模式改进多模式集合平均通常优于单个模式，被广泛用于气候预测和情景评估长期气候模拟评估评估模式在长时间积分中的性能和稳定性长期评估关注海洋环流的稳定性、水团分布的漂移、能量和质量守恒性，以及气候平均态的再现气候控制试验是评估模式内部变率的重要工具，典型长度为数百至数千年长期模拟还需评估模式对外部强迫的响应，如温室气体增加、火山喷发和太阳辐射变化等，这对于气候变化归因研究至关重要数值模拟的未来发展高分辨率模拟向涡旋解析甚至亚中尺度分辨率发展地球系统模型整合物理生物化学地质全耦合过程---人工智能辅助机器学习提升参数化方案和数据同化效率跨尺度模拟无缝连接全球、区域和近岸过程数值模拟的未来发展将朝着更高分辨率、更全面的过程表示和更智能的计算方法方向发展高分辨率全球模拟正向°甚至更高分辨率迈进，将能直接解1/50析中尺度涡旋和主要内波，减少参数化依赖地球系统模型整合海洋、大气、陆地、冰冻圈和生物圈的完整相互作用，提供更全面的气候系统表述人工智能技术在参数优化、次网格过程参数化和大数据处理方面显示出巨大潜力，可能彻底改变传统模拟方法跨尺度模拟通过自适应网格和多尺度算法，实现从全球到局部的无缝过渡，为气候变化的区域影响评估提供更精确工具海洋环流对全球气候的影响热量再分配碳循环海洋储存和输送全球约的热量余额吸收人为碳排放的约，缓解温室效应50%30%全球气候调节生态系统通过多种反馈机制稳定和调节气候系统影响全球海洋生产力和生物多样性分布海洋环流通过多种方式影响全球气候系统作为地球热引擎的关键组成，海洋环流每年输送约的热量从低纬向高纬，极大缓解了赤道极地1PW-温度梯度大西洋经向翻转环流被称为欧洲暖气，使西欧温度比同纬度其他地区高出°海洋碳汇功能依赖于物理和生物过程共AMOC5-10C同作用，表层吸收₂后通过环流输送至深层，减缓大气₂积累海洋环流决定了营养盐分布，从而影响全球渔业资源分布环流变化可触发CO CO多种气候反馈机制，如海冰反照率反馈、水汽反馈和云反馈等，是气候系统稳定性和变率的核心因素-海洋观测技术卫星遥感提供全球覆盖的海表参数观测，包括海表温度、海面高度、海表风场和海色等卫星测SST SSHaltimetry量海面高度变化，可推导地转流场；散射计测量海表风场；微波辐射计和红外传感器测量；海色传感器监SST测叶绿素浓度和初级生产力卫星数据时空覆盖广但仅限于表层，是现代海洋观测网络的重要组成剖面浮标自动采集海洋内部温盐等参数的漂流平台计划已部署近个剖面浮标，构成全球中上层海洋观测网，Argo4000每天提供一次米温盐剖面深海和生物地球化学拓展了观测深度和参数范围浮标数100-2000Argo Argo据为模式验证和数据同化提供了关键的次表层信息，是监测海洋热含量变化和盐度变化的主要数据来源无人艇包括水面无人艇和水下无人艇滑翔机，提供灵活机动的观测平台海洋滑翔机利用浮力变化实USV AUV/现垂直运动，能在海洋中持续工作数月，沿预设路径采集数据波浪滑翔机利用波浪能量推进，大幅延长续航时间这些平台特别适合极端环境和敏感区域观测，如热带气旋、极地海域和边界流区域海洋观测网络整合多种观测平台的协同观测系统全球海洋观测系统协调各国海洋观测活动，包括定点时间序列站、GOOS断面重复观测、卫星遥感和自动平台等海底观测网利用电缆连接的传感器阵列，提供实时连续观测，如日本和加拿大这些网络通过数据融合和同化，最大限度发挥各种观测手段的优势DONET NEPTUNE海气相互作用观测技术通量塔湍流相关技术航测技术架设在海上平台或船舶上的高塔，配备高频响基于高频风速、温度和气体浓度测量，计算垂利用飞机、无人机等平台进行大范围海气界面应传感器，直接测量海气界面的通量通量塔直湍流通量的直接方法湍流相关技术要求采观测航测技术优势在于空间覆盖广、机动性测量的主要参数包括动量通量风应力、感热样频率至少，以捕捉贡献通量的所有湍强，特别适合研究空间非均匀性强的现象，如10Hz通量、潜热通量和二氧化碳通量等长期通量流尺度该技术被认为是测量海气通量的金标锋面、涡旋和河口羽流区域机载激光雷达可观测站如的气象浮标和准，但对仪器要求高，数据处理复杂，需要严测量大气边界层结构；红外相机可测量海表温Woods Hole阵列，提供了宝贵的时间序列格的质量控制最新发展包括波浪相关修正和度细结构；微波辐射计可测量海表盐度最新TAO/TRITON数据，是验证通量参数化方案的重要依据运动校正算法，提高了船载观测的精度无人机技术大幅降低了航测成本，使得常规航测观测成为可能海洋数据挑战数据稀疏性海洋观测在时空上分布不均，深海和极地区域尤为稀少观测误差各类观测平台和仪器都存在特定的系统和随机误差长期序列重建历史数据质量不一，需要复杂的均一化和重建技术数据融合整合不同来源、分辨率和精度的数据是重大技术挑战海洋数据挑战是海洋科学研究的基本困难之一全球海洋体积巨大，但可用观测覆盖仅占极小比例，特别是深海和极地区域观测误差包括仪器漂移、采样偏差和代表性误差等，需要通过交叉验证和修正技术处理长期气候研究需要连续的历史数据，但早期观测方法和标准不一，需要复杂的均一化处理不同观测平台如卫星、浮标、船测提供的数据具有不同空间分辨率、时间频率和误差特性，如何有效融合这些异质数据是数据同化和再分析的核心挑战海洋模拟中的关键参数参数类别典型参数物理意义敏感性湍流闭合垂直混合系数垂直混合强度高表面通量风应力系数动量传递效率中高热力学对流调整参数垂直不稳定性处理中波动背景扩散系数内波混合强度中低海洋模拟中的关键参数直接影响模拟结果的准确性和物理合理性湍流闭合参数如垂直扩散系数和水平黏性系数，决定了动量和物质的混合效率，是海洋模式中最敏感的参数集合摩擦速度是描述海气界面动量传递效率的关键参数，通常通过风应力系数参数化，其不确定性直接影响风驱动环流强度表面通量参数包括热通量和淡水通量计算系数，控制着海洋与大气之间的能量和物质交换，对混合层演变至关重要参数敏感性分析通过系统地扰动模型参数，评估其对模拟结果的影响，是模型调整和不确定性估计的重要工具海洋生态系统服务碳汇功能生物多样性渔业资源海洋每年吸收约的人为碳海洋拥有地球上以上的生海洋提供全球超过的动物30%80%15%排放，是地球上最大的活跃碳物多样性，从微生物到大型海蛋白，支撑数亿人的生计渔库物理溶解和生物泵是海洋洋哺乳动物，构成复杂的生态业资源分布与海洋环流、上升碳汇的两大机制，前者依赖于网络生物多样性维持生态系流和前沿系统密切相关耦合₂溶解度，后者通过光合作统稳定性和弹性，提供基因资的物理生物模型可预测气候变CO-用和有机碳沉降实现碳封存源和生物活性物质数值模拟化对鱼类分布和资源量的影响，全球变暖可能通过降低溶解度通过追踪环境因子和生态位变支持渔业管理决策端到端模和增强层化削弱碳汇功能准化，预测气候变化对生物多样型整合物理环境、低营养级生确模拟海洋碳循环对评估全球性的影响最新生物地理模型产力和高营养级生物量，是渔碳预算和气候变化减缓至关重开始整合进化和适应过程，提业资源评估的前沿工具要高预测能力气候调节海洋通过吸收热量和碳、调节水循环等过程调节全球气候海洋热容量巨大，减缓了全球变暖速度；环流系统重新分配热量，影响区域气候格局海-气耦合过程如、和ENSO PDO控制着气候系统的年际到NAO年代际变率气候模拟表明海洋对气候调节的能力可能随全球变暖而改变，带来复杂的反馈效应区域海洋模拟边缘海模拟沿岸过程区域气候特征边缘海如南海、东海和地中海等半封闭沿岸区域是人类活动最频繁的海域，具区域海洋气候受全球变化和局地过程共海盆具有独特的环流特征和生态系统有复杂的物理和生物地球化学过程沿同影响，表现出复杂的响应模式区域区域模拟需要精确表示复杂地形、潮汐岸模拟需要解析河口动力学、潮汐混合、气候模拟需要考虑独特的地形效应、局混合和河流输入等局地过程边界条件上升流和陆架波等特征过程非结构化地环流特征和特定的大气强迫降尺度处理是关键挑战，常采用嵌套方法或开网格模型如和在处理复技术是连接全球气候模式和区域影响评FVCOM SCHISM边界条件将全球环流信息传递到区域模杂海岸线和变化地形方面具有优势沿估的桥梁，包括动力降尺度和统计降尺型高分辨率边缘海模拟有助于理解局岸预测系统整合水动力、生态和沉积模度两种方法区域海洋模拟在极端事件地生态环境变化和支持海洋资源管理块，为海洋空间规划和环境管理提供决评估、海平面上升影响和生态系统变化策支持预测方面具有独特价值海洋生态系统对气候变化的响应海洋酸化模拟海洋酸化是指海水值因吸收大气₂而降低的过程，被称为气候变化的邪恶双胞胎碳排放情景模拟表明，如果高排放情景pH CO继续，到年海洋表层可能降低个单位，是至少万年来的最低水平酸化对海洋生态系统的影响主RCP

8.52100pH

0.3-

0.42000要通过降低碳酸盐饱和度，影响钙化生物如珊瑚、贝类和某些浮游生物的生长模拟显示，极地和上升流区域将首先达到碳酸钙未饱和状态，威胁这些地区的生态系统海洋化学变化包括碳酸盐系统平衡移动、元素生物可利用性改变和重金属毒性增强等这些变化通过生物地球化学循环影响整个海洋食物网，可能导致生态系统结构和功能的深远变化海洋对极端气候事件的响应海平面上升全球海平面以每年毫米的速度上升，主要由冰川融化和海水热膨胀驱动模拟表明，即使在温室气体稳定情

3.6况下，由于海洋热惯性，海平面仍将持续上升数百年高排放情景下，本世纪末海平面可能上升厘米，60-110极端情况下可达米区域海平面变化差异显著，受局地海洋环流、垂直陆地运动和重力场变化影响2海洋热浪海洋热浪是持续数天至数月的异常高温海水事件，频率和强度正在增加热浪可导致珊瑚白化、藻类群落改变和鱼类死亡等生态灾难年西澳大利亚热浪、年西北大西洋热浪和年暖水团都造成了201120122015-2016严重的生态和经济损失模拟预测，到本世纪末，即使在中等排放情景下，大部分海洋每年都将经历至少一次热浪极端天气频率海洋储存和释放的热量直接影响极端天气事件的发生和强度热带气旋强度可能增加，与海表温升和海洋热含量增加相关极端降水和干旱事件与海温异常紧密相连，如引起的全球降水模式变化模拟表明，随着海洋ENSO温度上升，极端气象事件的频率、强度和持续时间可能增加，给沿海地区带来更大风险生态系统影响极端气候事件对海洋生态系统的影响往往超过缓慢的气候变化珊瑚礁系统特别脆弱，连续的热应激可能导致系统性崩溃极端事件可触发生态阈值效应，导致系统向新状态的不可逆转变韧性研究成为生态建模的重点，评估生态系统面对极端事件的恢复能力和适应潜力基于个体的模型和元群落模型是研究极端事件影响的新兴工具海洋模拟中的不确定性来源海洋模拟的社会经济影响气候预测海洋模拟是气候预测系统的核心组件，从季节到年代际尺度预测直接影响经济决策预测可ENSO提前个月预警，帮助农业、水资源和能源部门制定应对策略北大西洋和北太平洋的年代际变6-9率预测影响基础设施投资和长期规划海洋模拟支持的气候服务产业正快速发展，为金融、保险和商品市场提供决策信息海洋资源管理海洋环流和生态系统模拟为渔业、能源和航运等海洋产业提供科学依据渔业管理越来越依赖基于生态系统的模型，预测气候变化对渔获量和分布的影响近海风能和潮汐能开发利用高分辨率海洋模型优化选址和评估环境影响航运路线规划借助海流和海冰预测，降低燃料消耗和安全风险，尤其在极地航道开发中价值显著减灾决策海洋模拟为沿海灾害预警和防护提供关键技术支持风暴潮预报系统结合大气和海洋模型，为台风和飓风期间的疏散决策提供依据海啸预警系统依赖实时海洋模拟评估传播路径和影响范围长期海平面上升模拟指导海岸带基础设施的适应性规划和投资决策，降低未来损失风险可持续发展海洋模拟支持可持续发展目标，特别是水下生物和气候行动海洋保护区网络SDG14SDG13规划利用环流和连通性模拟确定关键区域蓝碳倡议通过海洋碳循环模型评估海草床、红树林等生态系统的碳封存潜力海洋空间规划整合多种用途和保护需求，平衡经济发展与生态保护，是可持续海洋管理的重要工具海洋模拟教育与培训数值模拟技能1现代海洋科学研究者需要掌握多学科技能，包括海洋物理学、数值方法和计算机科学核心技能包括编程能力、数据处理技术和并行计算知识许多高校开设专门的海洋建模课Python,Fortran,C++程，涵盖理论基础和实用技能在线平台如提供培训材料和开放数据集，Copernicus MarineService降低了入门门槛跨学科培养2海洋模拟是典型的跨学科领域，需要物理、数学、计算机和地球科学的综合知识现代海洋科学教育强调打破传统学科界限，培养学生的交叉学科视野计算海洋学成为新兴交叉学科，整合海洋科学与数据科学案例教学和项目实践是培养跨学科能力的有效方式，如模拟某一海洋现象的完整过程国际合作3国际培训项目和暑期学校为学生提供接触前沿研究的机会、等国际组织定期举办培训POGO IMBER课程，特别关注发展中国家能力建设学生和青年科学家交流项目促进知识共享和国际视野拓展开源社区如和用户组成为知识交流和合作的重要平台，加速新方法和工具的传播PyOcean NEMO科研人才发展4从学生到独立研究者的成长路径需要系统规划和支持研究生和博士后是海洋模拟研究的主力军，需要项目经费和计算资源支持科研职业发展面临专业化与多样化的平衡，既需要深度专业知识，也需要广泛应用能力学术界与产业界的人才流动增加，促进了科研成果转化和应用推广海洋模拟的伦理与挑战数据共享模型透明度海洋观测数据的开放获取是科学进步的基础，但面临多重挑战不同国家对海洋数复杂模型的透明度对科学可重复性和公众信任至关重要开源模型代码如、MITgcm据的政策差异巨大，某些敏感区域数据仍受限制国际海洋数据交换等倡议和促进了透明度和协作开发然而，完整理解和重现模拟结果仍然困IODE ROMSNEMO致力于促进数据共享标准化开放数据原则原则强调数据应当可发现、可访难，需要详细记录参数设置、初始条件和外部强迫模型不确定性的清晰沟通是科FAIR问、可互操作和可重用，已成为国际共识，但具体实施仍存在困难学诚信的重要方面，特别是当模拟结果用于政策制定时科学伦理跨学科合作海洋模拟研究者面临数据解释和不确定性表达的伦理责任在科学交流中平衡模型有效的跨学科合作需要克服学科文化、术语和方法论差异海洋物理学家、生物学能力与局限性的展示，避免过度自信或过度悲观研究资金来源的透明度对维护科家、化学家和计算科学家的协作面临沟通挑战学科边界常限制创新，但跨界合作学独立性至关重要，尤其是涉及环境政策的研究气候变化背景下，科学家作为倡可产生突破性进展机构结构和评价体系往往不利于跨学科研究，需要改革以促进导者与客观报告者角色的平衡引发持续讨论整合研究解决复杂海洋问题需建立包含多种专业背景的协作团队海洋模拟技术路线图短期目标未来年内，海洋模拟将专注于提高模式分辨率和改进关键参数化方案全球涡旋解析模式将成为气候中心的标5准配置，水平分辨率达到°以上改进的混合层参数化和热含量模拟将提高季节内到年际预测技巧数据1/10同化技术将更有效整合多源观测，特别是卫星和数据机器学习方法将开始应用于参数优化和次网格过程Argo参数化中期发展年展望中，多尺度耦合模拟将实现从全球到沿岸的无缝连接海冰海洋大气陆地完全耦合系统将更准5-10---确模拟极地过程和全球遥连接生物地球化学和生态系统组件将标准化集成到物理海洋模式中基于人工智能的混合建模方法将结合动力学模型和数据驱动方法的优势云计算和容器技术将实现模型的便携性和可重复性，促进国际合作长期愿景年以上的远景是发展真正的数字海洋，实现对全球海洋系统的高保真度实时模拟量子计算技术可能彻底10改变计算流体力学的能力边界全新的数值方法将突破当前网格模拟的限制，如无网格方法和光滑粒子流体动力学基于因果关系的人工智能将帮助发现新的物理规律和参数化方案与观测系统深度融合的实时海洋数字孪生将成为海洋预测和管理的核心平台关键技术突破实现上述愿景需要多项关键技术突破自适应网格和多尺度算法将有效处理跨尺度物理过程非平衡态和极端事件模拟需要新型随机参数化方法次中尺度和小尺度过程的参数化是物理一致性提升的关键人工智能与物理模型的深度融合需要从黑箱转向可解释极端计算技术，包括异构计算架构和量子计算算法，将为超高分辨率AI全球模拟提供必要的计算能力国际合作与协同全球海洋观测系统模式比较项目国际科研网络全球海洋观测系统协调各国海洋观测活海洋模式比较项目评估全球海洋海冰模世界气候研究计划下的气候与海洋变异、GOOS OMIP-WCRP动，构建持续、系统的全球海洋监测网络式在标准化条件下的性能耦合模式比较计划可预测性和变化项目协调全球海洋气CLIVAR计划部署了近个自动剖面浮标，是为全球气候模式提供统一的实验设计和候研究全球海洋数据同化试验促进Argo4000CMIP GODAE的核心组成部分，提供全球海洋上层评估框架，是评估报告的重要科学基础了业务化海洋预报系统的发展年轻地球科学家GOOS IPCC米温盐数据热带海洋大气观测网区域海洋模式比较计划关注特定海域如北大西洋、国际交流计划为新一代研究者提供合作平台这2000-在赤道太平洋维持约个锚系南海等重点区域的模拟性能模式比较促进了模些网络通过工作组、会议和出版物促进知识共享TAO/TRITON70浮标，持续监测现象网络型发展和改进，提高了模拟物理过程的准确性和研究协同，提高了海洋科学的整体水平ENSO OceanSITES提供深海点站长期连续观测，填补了全球观测的重要空白海洋模拟面临的科学挑战多尺度耦合连接全球环流与局地过程的跨尺度模拟1参数化方案2准确表示次网格过程对大尺度环流的影响计算复杂性高分辨率全球模拟的计算资源挑战观测局限性海洋观测在时空上的稀疏性制约模型验证海洋模拟面临着一系列根本性科学挑战多尺度耦合是理论和计算上的双重难题，需要在保持计算效率的同时捕捉从全球环流到小尺度湍流的相互作用传统的尺度分离假设在强非线性区域失效，需要新的数学框架参数化方案至今仍是海洋模式的主要不确定性来源，尤其是垂直混合、波流相互作用和边界层过-程等计算复杂性随分辨率呈几何级数增长，即使最先进的超级计算机也难以满足全球高分辨率长期积分的需求观测局限性使得模型验证和初始化面临根本困难，深海和极地区域的数据尤其稀少，限制了模型性能的全面评估海洋模拟的创新方向人工智能技术量子计算机器学习重塑参数化方案和数据同化方法未来计算范式可能突破经典计算极限跨尺度模拟新型数值方法连接微观过程与宏观现象的多尺度方法突破传统网格框架的革命性计算技术海洋模拟正经历方法论和技术的深刻变革人工智能技术在海洋科学中的应用正迅速扩展，从数据驱动的参数优化到混合物理神经网络模型，再到-完全基于深度学习的海洋预测系统神经网络参数化显示出替代传统物理参数化的潜力，特别是在表示复杂非线性过程方面量子计算虽然仍处于早期阶段，但已有针对流体动力学问题的量子算法研究，有望在未来年内应用于海洋模拟新型数值方法如无网格方法、谱元法和间断伽辽10-20金法等突破了传统有限差分框架的限制，提供了更灵活和高效的计算手段跨尺度模拟整合微观湍流与宏观环流，通过自适应网格、嵌套模型和多物理耦合等技术实现尺度无缝连接海洋模拟对可持续发展的贡献13200M+气候行动受益人口海洋模拟支持的目标数量依赖海洋预报的沿海居民规模SDG30%碳减排海洋在全球碳封存中的潜在贡献海洋模拟对实现可持续发展目标做出了多方面贡献在气候变化减缓方面，海洋碳循SDGs环模型帮助评估海洋碳汇能力和蓝碳生态系统的碳封存潜力，为减排战略提供科学依据海洋酸化模拟评估不同排放路径下的生态系统风险，支持制定适当的减缓目标在海洋资源管理方面，生态系统模型指导渔业可持续开发，评估海洋保护区的有效性和连通性海洋空间规划整合多种资源利用方式，平衡经济发展与生态保护在减灾决策支持方面，海洋预报系统为极端事件提供预警，降低人员和财产损失海平面上升模拟支持沿海地区制定适应性规划，减少长期风险结论与展望海洋模拟的重要性海洋模拟已成为理解海洋过程和气候系统不可或缺的工具它连接了离散观测数据点，提供完整的四维视图；实现了无法在自然条件下进行的受控实验；支持从短期天气到长期气候的各类预测；为海洋资源管理和环境保护提供科学依据随着社会对海洋环境关注的增加，模拟技术的重要性将进一步提升未来发展趋势海洋模拟将朝着更高分辨率、更全面的过程表示和更智能的方法发展分辨率提升将减少参数化依赖，直接解析关键动力过程；多学科耦合将整合物理、生物、化学和地质过程；人工智能与物理模型的融合将创造新型混合模式；观测与模型的边界将变得模糊，形成真正的数字海洋；计算技术的革命性突破将重塑模拟能力边界科学与社会价值海洋模拟在科学和社会层面都具有深远价值在科学上，它推动了海洋动力学的基础理论发展，揭示了复杂系统的行为规律，促进了多学科交叉融合在社会层面，它为气候变化应对提供科学支撑，指导海洋资源可持续利用，支持海洋灾害预警和风险管理，促进国际科技合作与和平利用海洋这种双重价值将继续扩大创新与挑战面向未来的海洋模拟需要应对多重挑战并把握创新机遇计算能力限制仍是高分辨率全球模拟的瓶颈；观测数据稀疏性制约模型验证和数据同化；复杂过程的物理参数化仍存4在理论缺口；学科壁垒阻碍多学科整合创新机遇包括量子计算等新计算范式、人工智能驱动的科学发现、新型观测技术和跨学科融合方法应对这些挑战需要国际合作和多学科协同鸣谢与参考文献国家重点研发项目科研团队主要参考文献未来研究方向本课程内容得到国家重点研发感谢参与课程开发的所有科研课程内容参考了大量国内外学本课程相关的未来研究方向包计划全球变化及应对专项项目人员和教学团队核心团队成术文献和研究报告核心参考括高分辨率全球海洋模拟的的支持课程材料融合了海洋员包括海洋动力学、数值模拟、包括第六次评估报告海洋理论和技术发展；人工智能与IPCC环流与气候变化、热带海洋动海气相互作用和海洋生物地球章节、《海洋数值模拟》专著、海洋模拟的深度融合；极端气力学与气候效应以及极地海洋化学领域的专家学者研究生《海气相互作用动力学》、候事件下的海洋响应机制；海环境变化等多个研究项目的最和博士后在教学演示材料准备《计算海洋学》等经典教材洋碳循环与气候变化的反馈关新成果特别感谢中国科学院和案例分析中做出了重要贡献国际期刊如系；跨尺度海洋过程的参数化Journal of海洋研究所、自然资源部第一技术支持团队在高性能计算和、改进；海洋生态系统对多重环Physical Oceanography海洋研究所和中国海洋大学的可视化方面提供了专业帮助，、境压力的响应预测；多学科耦Ocean ModellingJournal研究团队对教学内容的贡献使复杂的科学概念更加直观清等提供了最新研究合的地球系统模型发展；数据of Climate晰进展政府间海洋学委员会同化和机器学习的创新应用和世界气象组织欢迎对这些方向感兴趣的学生IOC WMO的技术报告提供了国际标准和和研究者加入相关研究最佳实践。