徐　洋，齊久成，李　清，劉海峰（中國(guó)人民解放軍 63850 部隊(duì)，吉林 白城 137000）

美國(guó)海軍業(yè)務(wù)化海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)綜述

徐洋，齊久成，李清，劉海峰
（中國(guó)人民解放軍 63850 部隊(duì)，吉林 白城 137000）

美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)最早始于蘇聯(lián)時(shí)期，自此之后，美國(guó)海軍制定了一系列計(jì)劃，構(gòu)建海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)海洋數(shù)值模式，發(fā)展軍事海洋學(xué)，旨在建成一套完整、精確的全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用。美國(guó)海軍海洋學(xué)一直走在世界前沿，本文將對(duì)美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展歷程、成果及其現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，這對(duì)于我國(guó)軍事海洋學(xué)以及海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展具有重要借鑒作用。

美國(guó)海軍軍事海洋學(xué)；數(shù)據(jù)同化；耦合模式；美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)

0　引　言

美國(guó)海軍發(fā)展海洋環(huán)境預(yù)報(bào)的最初動(dòng)機(jī)源于冷戰(zhàn)時(shí)期針對(duì)蘇聯(lián)的反潛計(jì)劃，蘇聯(lián)核潛艇的不斷發(fā)展使得美國(guó)對(duì)反潛的要求越來越高，而首先需要做的就是對(duì)海洋中的各個(gè)環(huán)境要素進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，例如海水的溫鹽結(jié)構(gòu)、潮汐、海流、海洋中鋒和渦漩的位置等信息。之后，美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)不斷發(fā)展，預(yù)報(bào)范圍從深海擴(kuò)展到沿海，預(yù)報(bào)結(jié)果逐漸應(yīng)用于海軍航空陸戰(zhàn)隊(duì)作戰(zhàn)（例如海豹突擊隊(duì)），兩棲登陸作戰(zhàn)以及水雷戰(zhàn)等。任何預(yù)報(bào)都必須基于對(duì)其物理規(guī)律的研究和認(rèn)識(shí)，美國(guó)海軍大力發(fā)展軍事海洋學(xué)，研究海洋物理規(guī)律，構(gòu)建全球海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)海洋數(shù)值模型，目標(biāo)就是建成一套完整、精確的全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)。本文將對(duì)美國(guó)制定的實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的具體路線進(jìn)行闡述，介紹其過去的成果、現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展計(jì)劃，并結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況簡(jiǎn)要論述其對(duì)我國(guó)軍事海洋學(xué)和海洋預(yù)報(bào)發(fā)展的啟示和借鑒。

1　美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的起源及發(fā)展歷程

早在冷戰(zhàn)初期，為了應(yīng)對(duì)蘇聯(lián)潛艇的挑戰(zhàn)，美國(guó)海軍就已經(jīng)開始了反潛戰(zhàn)術(shù)的研究，最初采用聲吶技術(shù)監(jiān)聽潛艇發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)出的巨大噪音從而判斷潛艇的位置，19 世紀(jì) 50 年代，美國(guó)在數(shù)艘常規(guī)動(dòng)力潛艇上裝載 BQR-4 球型低頻被動(dòng)聲吶，將它們部署在格陵蘭-冰島-英國(guó)間的海域（即所謂的 GIUK 間隙），建立了一條針對(duì)蘇聯(lián)的聲吶反潛阻線。核動(dòng)力潛艇出現(xiàn)后，美國(guó)海軍則利用其變速輪、水泵等器件冷卻過程中產(chǎn)生的噪音來進(jìn)行定位跟蹤。而海洋中聲音的傳播和收集受到各種水文要素的影響，例如海洋中的內(nèi)波、鋒、渦旋等。美國(guó)海軍很早就意識(shí)到要想利用聲學(xué)原理準(zhǔn)確定位潛艇，必須首先對(duì)海洋要素進(jìn)行分析和預(yù)報(bào)。

1976 年 6 月，美國(guó)海軍在加拿大蒙特利爾舉行第一屆海洋預(yù)報(bào)研討會(huì)，針對(duì)蘇聯(lián)的潛艇計(jì)劃，會(huì)議提出了發(fā)展海洋預(yù)報(bào)的目標(biāo)，最初的應(yīng)用是為反潛戰(zhàn)提供海洋熱力學(xué)結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)。會(huì)議指出 2 個(gè)緊迫的具體任務(wù)：1）開發(fā)一個(gè)改良的海表面溫度診斷模式，能夠結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)將美國(guó)海軍海表面溫度圖升級(jí)到每 6或每 12 小時(shí)更新一次。2）利用多層的、開邊界環(huán)流和熱力學(xué)模式對(duì)出現(xiàn)海洋鋒和溫度異常的海區(qū)海洋狀況進(jìn)行預(yù)報(bào)。據(jù)此，美國(guó)海軍把重點(diǎn)放在發(fā)展熱力學(xué)海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)（TOPS）上，該系統(tǒng)計(jì)劃采用垂直一維模式網(wǎng)格來模擬上混合層的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)。此外，會(huì)議還初步確定將海軍海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)作為一個(gè)長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃。

1981 年，第二屆海洋預(yù)報(bào)研討會(huì)在美國(guó)蒙特雷召開，會(huì)議討論了美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)的進(jìn)展情況和未來發(fā)展方向。會(huì)議提出：1）利用實(shí)時(shí)的、現(xiàn)場(chǎng)的遙感數(shù)據(jù)改進(jìn)海洋預(yù)報(bào)。2）開發(fā)四維數(shù)據(jù)同化方法。3）開發(fā)先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)和動(dòng)力學(xué)方法來研究開邊界環(huán)流、閉邊界環(huán)流以及深海變化。據(jù)此，構(gòu)建一個(gè)有效的全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)，提供高性能的計(jì)算設(shè)備，成為首要任務(wù)。

1986 年，第三屆海洋預(yù)報(bào)研討會(huì)召開，美國(guó)海軍的海洋學(xué)家和美國(guó)海軍研究院的專家共同討論美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)的未來之路，決定利用全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)中的高度計(jì)、散射計(jì)資料和海洋水色遙感資料、海表面及以下現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，來對(duì)海洋中尺度現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)報(bào)。為了更好地滿足美國(guó)海軍對(duì)反潛的要求，會(huì)議還建議將高分辨率的區(qū)域模式耦合到低分辨率的全球模式，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算可行的預(yù)報(bào)，用于戰(zhàn)術(shù)范圍地區(qū)。

與此同時(shí)，美國(guó)海軍海洋學(xué)家 Seesholtz 授權(quán)美國(guó)海洋學(xué)協(xié)會(huì)發(fā)展具有中尺度特征的全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并計(jì)劃在 1992 年投入業(yè)務(wù)化應(yīng)用。此外，他還為美國(guó)海軍海洋學(xué)辦公室爭(zhēng)取超級(jí)計(jì)算設(shè)備，升級(jí)美國(guó)艦隊(duì)數(shù)值海洋學(xué)中心，為運(yùn)行新的預(yù)報(bào)系統(tǒng)做硬件準(zhǔn)備。這三屆海洋預(yù)報(bào)研討會(huì)的召開奠定了美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)發(fā)展的基礎(chǔ)，逐步形成了美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展的進(jìn)程表，從最初的海洋熱力學(xué)結(jié)構(gòu)的模擬和預(yù)報(bào)，到海洋動(dòng)力學(xué)模式的開發(fā)和應(yīng)用，以及對(duì)中尺度現(xiàn)象的關(guān)注和重視，美國(guó)海軍循序漸進(jìn)，制訂了一套較為完備的發(fā)展計(jì)劃。1992 年，Peloquin 開發(fā)了一個(gè)海軍海洋模型，與 Seesholtz 提出的目標(biāo)基本相符。2002 年，研討會(huì)上提出的目標(biāo)基本都已實(shí)現(xiàn)，包括發(fā)展全球海洋預(yù)報(bào)，解決中尺度特征的描述等。

2　美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)依托

美國(guó)海軍很早就認(rèn)識(shí)到發(fā)展海洋預(yù)報(bào)的 2 個(gè)關(guān)鍵要素是技術(shù)和人才。利用先進(jìn)技術(shù)可以優(yōu)化硬件、軟件，提高系統(tǒng)傳遞、處理和利用信息的能力，而另一個(gè)關(guān)鍵就是要擁有一批高素質(zhì)的海洋學(xué)人才。為此，美國(guó)海軍制定了軍事海洋學(xué)計(jì)劃（NOP），由海軍氣象和海洋學(xué)司令部（CNMOC）管理，并直接向總指揮美國(guó)海軍艦隊(duì)司令部（USFF）報(bào)告。該計(jì)劃的基金由海軍海洋學(xué)家們負(fù)責(zé)管理支配。軍事海洋學(xué)的任務(wù)是使作戰(zhàn)部隊(duì)具備物理戰(zhàn)場(chǎng)意識(shí)和環(huán)境意識(shí)。為此，美國(guó)海軍研發(fā)機(jī)構(gòu)集中精力加強(qiáng)對(duì)海洋作戰(zhàn)環(huán)境的認(rèn)識(shí)和理解，努力實(shí)現(xiàn)信息化，目標(biāo)就是希望在未來，作戰(zhàn)官兵能夠利用實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模式結(jié)果，結(jié)合兩者充分了解海洋作戰(zhàn)環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)信息化作戰(zhàn)。

2002 年以來，美國(guó)軍事海洋學(xué)已經(jīng)發(fā)生了重大的革命性變化。美國(guó)軍事海洋學(xué)計(jì)劃已在世界各地建立了分支機(jī)構(gòu)和區(qū)域中心，它們服從海軍艦隊(duì)司令部的指揮，由位于蒙特雷艦隊(duì)數(shù)值海洋學(xué)中心、斯坦尼斯航天中心海軍海洋學(xué)辦公室的主要產(chǎn)品中心提供支持。最近幾年，信息返回單元已經(jīng)在一些主要地區(qū)建立起來，這些單元具有良好的人工控制性，能夠?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)地區(qū)提供支持。

除了信息返回單元的支持，還需要有專業(yè)人士在現(xiàn)場(chǎng)操作和分析。為此，美國(guó)海軍組建了戰(zhàn)斗群海洋學(xué)團(tuán)隊(duì)（SGOTs），部署在大型航空母艦和兩棲戰(zhàn)艦上，為永久駐扎在艦上的作戰(zhàn)氣象學(xué)部門軍官提供技術(shù)支持。此外，移動(dòng)環(huán)境團(tuán)隊(duì)（METS）和可行性預(yù)報(bào)小組的數(shù)量不斷增加以滿足艦隊(duì)新任務(wù)的需求，如無人機(jī)作戰(zhàn)任務(wù)。2010 年，在諾?？撕褪サ貋喐绯闪⒘嗣绹?guó)艦隊(duì)氣象中心，為航空和航海提供技術(shù)支持，其任務(wù)之一就是與部隊(duì)一起培訓(xùn)氣象學(xué)家助理（AGs）和能夠進(jìn)行戰(zhàn)斗空間環(huán)境預(yù)報(bào)的軍事人才。

如今，美國(guó)軍事海洋學(xué)作戰(zhàn)司令部（NOOC）是直接為作戰(zhàn)提供氣象學(xué)和海洋學(xué)技術(shù)支持的主要機(jī)構(gòu)。軍事海洋學(xué)作戰(zhàn)司令部主管艦隊(duì)氣象中心，戰(zhàn)斗群海洋學(xué)團(tuán)隊(duì)和其他戰(zhàn)爭(zhēng)地區(qū)的指揮部門，例如海軍海洋學(xué)水雷戰(zhàn)中心和 2 個(gè)海軍海洋學(xué)反潛作戰(zhàn)中心。美國(guó)軍事海洋學(xué)作戰(zhàn)司令部是一個(gè)世界范圍內(nèi)的指揮部門，重點(diǎn)為作戰(zhàn)小組提供合格的氣象學(xué)家助理。

艦隊(duì)數(shù)值海洋學(xué)中心和海軍海洋學(xué)辦公室是美國(guó)海軍 2 個(gè)主要的數(shù)值產(chǎn)品中心，它們利用最新的數(shù)據(jù)，提供專業(yè)的全球氣候和海洋預(yù)報(bào)場(chǎng)，而用戶可以根據(jù)作戰(zhàn)情況選擇性的調(diào)出自己所需的數(shù)據(jù)。海軍海洋學(xué)辦公室已經(jīng)成為國(guó)防部超級(jí)計(jì)算資源中心（DSRC）（位于密西西比州的斯坦尼斯航空中心）的主要用戶之一，利用該計(jì)算資源，海洋學(xué)辦公室進(jìn)一步提高了基于模式的海洋預(yù)報(bào)的質(zhì)量和時(shí)效性。

由此看來，美國(guó)海軍注重人才培養(yǎng)和技術(shù)發(fā)展，形成了較為科學(xué)的管理和指揮團(tuán)隊(duì)，各部門分工明確，各司其職，部門與部門之間形成了密切的合作關(guān)系，為軍事海洋學(xué)的發(fā)展提供了良好保障和依托。

3　美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的技術(shù)沿革

要想真正了解復(fù)雜的海洋物理規(guī)律，準(zhǔn)確模擬海洋動(dòng)力過程，還需要具有高端的計(jì)算能力。1976 年，美國(guó)海軍認(rèn)識(shí)到他們對(duì)海洋的了解和計(jì)算能力不足以支持準(zhǔn)確的海洋預(yù)報(bào)。美國(guó)作戰(zhàn)委員會(huì)，海軍研究辦公室（ONR），海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL），空間和海上戰(zhàn)爭(zhēng)系統(tǒng)司令部（SPAWAR）的戰(zhàn)斗空間意識(shí)和信息作戰(zhàn)計(jì)劃辦公室（PMW-120），這 4 個(gè)機(jī)構(gòu)之間形成了密切的合作關(guān)系，其中海軍研究辦公室和海軍研究實(shí)驗(yàn)室合作開展基礎(chǔ)研究，然后通過 PMW-120 的海洋學(xué)家將其研究成果轉(zhuǎn)為業(yè)務(wù)化應(yīng)用，這需要通過一套有序的流程來實(shí)現(xiàn)。數(shù)年后，美國(guó)軍事海洋學(xué)計(jì)劃（NOP）制定了迅速轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品項(xiàng)目（RTP），旨在及時(shí)識(shí)別出現(xiàn)的問題，指揮科研機(jī)構(gòu)在 3 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。最新的成功案例有區(qū)域熱帶氣旋模型，風(fēng)暴涌浪和洪水模擬，以及海洋模式的四維變分?jǐn)?shù)據(jù)同化方案。

表1顯示了海洋模式和數(shù)據(jù)同化技術(shù)在美國(guó)海軍業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)中不斷應(yīng)用的發(fā)展過程。20 世紀(jì) 90年代，最初的作戰(zhàn)系統(tǒng)包括了全球海軍分層海洋模式（NLOM）和基于普林斯頓海洋模式（POM）構(gòu)建的區(qū)域淺水分析與預(yù)報(bào)系統(tǒng)（SWAFS），其中前者可以預(yù)報(bào)中尺度特征，如漩渦，水平分辨率高達(dá) 1/32°，垂直方向分為 6 個(gè)拉格朗日層。POM 模式是 1977 年美國(guó)普林斯頓大學(xué) Blumberg 與 Mcllor 合作開發(fā)的一個(gè)三維斜壓方程海洋模式。模式的主要特征是嵌套了一個(gè)2.5 階湍閉合模型以解決垂向湍流粘滯系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，水平方向采用正交曲線網(wǎng)格，能夠更好地?cái)M合復(fù)雜的岸線、島嶼邊界，減小了誤差。模式采用成熟的熱力學(xué)方程組，水平時(shí)間差分采用顯示格式而垂直方向采用隱式格式，為此可以使得垂向上不受 CFL 條件的限制。基于 POM 模式的種種優(yōu)勢(shì)，它被廣泛應(yīng)用，特別是在近岸、海灣、河口等區(qū)域。而 POM 模式本身也存在著不足，模式采用單一的 sigma 坐標(biāo)，無法很好地描繪表面混合層等，因此還存在著一定的誤差和缺陷亟待解決。

另一方面，海軍近海模式（NCOM）的應(yīng)用擴(kuò)展至全球范圍內(nèi)，用以描繪深海和大陸架的海表面動(dòng)力學(xué)過程，模式水平分辨率較低（為 1/8°），垂直分辨率較高，設(shè)置 41 個(gè) sigma 層。與此同時(shí)，全球大氣模型-海軍作戰(zhàn)全球氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)（NOGAPS）為海軍海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供大氣強(qiáng)迫，為嵌套耦合海洋/大氣中尺度預(yù)報(bào)系統(tǒng)（COAMPS）中的高分辨率大氣模塊提供開邊界條件。

全球波浪模型包括 WAVEWATCH Ⅲ（WW3）系統(tǒng)和波浪作用模型（WAM），也逐步實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用，為一些近岸預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供邊界條件，如海軍標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)浪模型。

表1　2002 與 2014 年美國(guó)海軍海洋環(huán)境預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)比Tab. 1　US Navy environmental prediction system， 2002 vs. 2014

21 世紀(jì)的頭十年，美國(guó)海軍又利用 NCOM 開發(fā)了一個(gè)更高分辨率的快速浮動(dòng)嵌套海洋模型，為一些關(guān)鍵地區(qū)提供預(yù)報(bào)。近年來，這些嵌套海洋模型被納入到 C O A M P S 系統(tǒng)中，結(jié)合近岸波浪模擬模型（SWAN）的波浪動(dòng)力系統(tǒng)，最終形成一個(gè)覆蓋全球各地的耦合高分辨率海洋/波浪/大氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

目前，美國(guó)業(yè)務(wù)化全球海洋系統(tǒng)基于 HYCOM （HYbrid Coordinate Ocean Model）海洋模式，模式運(yùn)行水平分辨率為 1/12°，垂直方向分為 32 層，根據(jù)需要也可以設(shè)置水平分辨率 1/25°，垂直方向分為 41層。HYCOM 海洋模式是在美國(guó)邁阿密（MIAMI）大學(xué) MICOM 模式基礎(chǔ)上開發(fā)的全球海洋環(huán)流模式，模式垂向采用混合坐標(biāo)（等密度坐標(biāo)、sigma 坐標(biāo)、z 坐標(biāo)），因此稱為混合坐標(biāo)海洋模式，模式的主要特點(diǎn)有水平采用墨卡托坐標(biāo)、正交坐標(biāo)和平面坐標(biāo)，垂向采用 z 坐標(biāo)、sigma 坐標(biāo)和等密度坐標(biāo)，提供多種湍閉合方案，以解決上混合層的密度混合問題，模式考慮了多種海氣要素及要素之間的相互作用，內(nèi)容更加豐富，與實(shí)際大洋更加接近，因此在全球大洋的模擬研究中應(yīng)用廣泛并取得了良好效果。此外，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的海冰模式（CICE）為北極冰蓋現(xiàn)報(bào)/預(yù)報(bào)系統(tǒng)（ACNFS）提供海冰邊緣和厚度預(yù)報(bào)。ACNFS 是一個(gè)雙向耦合 HYCOM/CICE 系統(tǒng)，嵌套在全球 HYCOM 模式中。

與此同時(shí)，美國(guó)全球大氣預(yù)報(bào)也由 NOGAPS 系統(tǒng)演變?yōu)楹＼娙颦h(huán)境模式（NAVGEM），NAVGEM改進(jìn)了數(shù)值計(jì)算方法，提高了計(jì)算效率，從而提高了網(wǎng)格分辨率和重要物理過程的參數(shù)化水平。眼下美國(guó)海軍的工作重點(diǎn)是雙向耦合全球 W W 3 系統(tǒng)和HYCOM/CICE 系統(tǒng)，以及 NAVGEM 模式，從而實(shí)現(xiàn)美國(guó)海軍的地球系統(tǒng)預(yù)報(bào)能力，而這只是美國(guó)國(guó)家地球系統(tǒng)預(yù)報(bào)能力的一部分。

新的嵌套耦合海洋/大氣中尺度預(yù)報(bào)系統(tǒng)（COAMPS）提高了分辨率和精度，用戶可以根據(jù)需要靈活地選擇不同組件，包括大氣、海洋、波浪或海冰等。動(dòng)力學(xué)預(yù)報(bào)組件是業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)的核心。整個(gè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的必要組成部分包括數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)同化和預(yù)報(bào)不確定性。在過去的 10 年里，COAMPS 系統(tǒng)中的大氣海洋同化方法由三維變分?jǐn)?shù)據(jù)同化方案（3DVAR）進(jìn)化到四維變分?jǐn)?shù)據(jù)同化方案（4DVAR），系統(tǒng)中的 SWAN 模塊以及其他組件也正在轉(zhuǎn)換為四維變分同化。這樣以來，模式可以利用傳感器傳來的連續(xù)不斷的數(shù)據(jù)流提高自身的初始化水平。

美國(guó)將新的衛(wèi)星頻道和傳感器包加入到同化系統(tǒng)中，NOP 計(jì)劃很大程度上依賴于美國(guó)國(guó)家衛(wèi)星傳感器獲取的大氣和海洋信息。對(duì)于高度關(guān)心的地區(qū)，美國(guó)海軍放置了現(xiàn)場(chǎng)傳感器，海軍研究辦公室還開發(fā)了無人水下航行器（UUVs）。美國(guó)海軍海洋學(xué)家發(fā)起了瀕海戰(zhàn)斗空間感知融合和集成計(jì)劃（LBSFI），還計(jì)劃向業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)中心-美國(guó)海軍海洋學(xué)辦公室運(yùn)送 150 架海洋滑翔機(jī)，用于海軍高度關(guān)心的地區(qū)。

無人駕駛飛行器（UAVs）和傳感器能夠更好的獲取海洋大氣邊界層的特征，提供更多的現(xiàn)場(chǎng)溫度和濕度數(shù)據(jù)，未來十年，美國(guó)海軍利用非傳統(tǒng)來源數(shù)據(jù)的能力將有所提高，如將艦載雷達(dá)、無人潛航器和無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)疆a(chǎn)品中心，以及整合這些數(shù)據(jù)進(jìn)行車載短期分析，并迅速更新短期預(yù)報(bào)。傳感器的自動(dòng)化控制是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。

了解預(yù)報(bào)的可信度是美國(guó)海軍預(yù)報(bào)員的重要工作。考慮初始條件和強(qiáng)迫的誤差概率分布，通過整合定量信息，提供環(huán)境影響作戰(zhàn)的概率預(yù)報(bào)。美國(guó)海軍，NOAA（National Oceanic and Atmospheric Adminisyration）和美國(guó)空軍之間的合作，以及 NOAA 和加拿大環(huán)境部的合作，創(chuàng)建了一個(gè)美國(guó)國(guó)家大氣整合系統(tǒng)。這個(gè)整合系統(tǒng)與美國(guó)國(guó)家統(tǒng)一業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)能力計(jì)劃（NUOPC）相一致。NUOPC 計(jì)劃將美國(guó)海軍，NOAA和加拿大環(huán)境部的整合預(yù)報(bào)產(chǎn)品相結(jié)合，完成了一個(gè)包含 60 個(gè)組件的業(yè)務(wù)化多模式全球大氣整合預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

4　美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的未來計(jì)劃

圖1綜示了美國(guó)海軍環(huán)境預(yù)報(bào)系統(tǒng)過去，現(xiàn)在和未來計(jì)劃的結(jié)構(gòu)。由圖可看到，2002 年時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和流程比較簡(jiǎn)單，由分辨率較低的全球模式和分辨率較高的區(qū)域模式、近海模式進(jìn)行嵌套，逐級(jí)提供輸出值，平行模塊之間相對(duì)獨(dú)立，這樣對(duì)計(jì)算要求較低，但誤差較大，與實(shí)際情況有較大差距。到 2014 年，從結(jié)構(gòu)圖看到，平行模塊之間的耦合應(yīng)用廣泛，利用觀測(cè)值進(jìn)行數(shù)據(jù)同化和模式耦合等能夠使得系統(tǒng)的模擬和預(yù)報(bào)結(jié)果精確度大大提高，這也對(duì)計(jì)算能力提出了很高的要求。從 2020 的計(jì)劃結(jié)構(gòu)來看，美國(guó)海軍計(jì)劃發(fā)展高度耦合的模式系統(tǒng)，并且加入了高空和陸地模塊，建立共享數(shù)據(jù)流，改進(jìn)數(shù)據(jù)同化方法，使得輸出結(jié)果與實(shí)際情況更加接近，這也意味著需要更強(qiáng)大的計(jì)算能力作為硬件支撐。

未來美國(guó)海軍的海洋預(yù)報(bào)將重點(diǎn)發(fā)展耦合模型和量化預(yù)報(bào)不確定性。美國(guó)海軍氣象和海洋學(xué)司令部計(jì)劃在未來十年增加雙向/多向耦合區(qū)域模型的數(shù)量，并將耦合技術(shù)應(yīng)用到海浪，海冰、大氣、海氣相互作用等多個(gè)模塊。早在 1986 年，美國(guó)海軍海洋學(xué)家制定了一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)，發(fā)展能夠描述中尺度特征的全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)，因此這個(gè)目標(biāo)的重點(diǎn)放在了 N-ESPC 的開發(fā)及其業(yè)務(wù)化。未來 10 年，N-ESPC 計(jì)劃推出一個(gè)多模式整合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將氣候模式加入到預(yù)報(bào)中，擴(kuò)大了現(xiàn)有的 NUOPC 的多模式功能，最終形成長(zhǎng)期預(yù)報(bào)能力。N-ESPC 還包括建立一個(gè)美國(guó)全國(guó)范圍的預(yù)報(bào)建模系統(tǒng)，由 NOAA，美國(guó)國(guó)防部，國(guó)家航空和宇航局，國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和能源部共同合作，初步計(jì)劃在 2018 年之前完成。此外，美國(guó)還將加強(qiáng)對(duì)人才的培養(yǎng)，氣象預(yù)報(bào)員助理的培訓(xùn)中將加入更多的知識(shí)和技能。

圖1　美國(guó)海軍環(huán)境預(yù)報(bào)系統(tǒng)過去、現(xiàn)在和未來的結(jié)構(gòu)（Burnett， W. 等，2014）Fig. 1　The structure of US Navy environmental prediction system in the past，present and future（Burnett，W. et al，2014）

5　結(jié)　語

美國(guó)海軍業(yè)務(wù)化海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)起源于反潛作戰(zhàn)需要精確的海洋熱力學(xué)預(yù)報(bào)，進(jìn)而發(fā)展了海洋預(yù)報(bào)數(shù)值模式和資源同化技術(shù)。美國(guó)海軍在軍事海洋學(xué)的發(fā)展上秉承技術(shù)和人才同步發(fā)展，其設(shè)有一系列職能部門對(duì)軍事海洋預(yù)報(bào)的發(fā)展進(jìn)行管理和規(guī)劃。軍事海洋學(xué)發(fā)展的根本目的是使作戰(zhàn)人員具有海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境意識(shí)，并能充分利用復(fù)雜的海洋信息。美國(guó)海軍目前擁有較為成熟的大洋和近岸預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)模式，能夠?qū)Ａ?、海浪、海冰和海洋的溫鹽結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。同時(shí)美國(guó)海軍進(jìn)一步發(fā)展無人航行器（UUV）和無人飛行器（UAV）技術(shù)，為數(shù)值模式的資料同化提供幫助。美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)未來的發(fā)展方向是將不同的數(shù)值模式進(jìn)行耦合，從而提供更加準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

美國(guó)海軍海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展過程可以對(duì)我國(guó)海軍海洋水文預(yù)報(bào)起到重要借鑒作用。我國(guó)海洋領(lǐng)土面積廣闊，除了渤海屬我國(guó)內(nèi)海以外，黃海、東海和南海與鄰國(guó)海域均存在權(quán)益爭(zhēng)端，海洋環(huán)境復(fù)雜多變，其中南海又是臺(tái)風(fēng)，中尺度渦，內(nèi)波等天氣海洋現(xiàn)象頻發(fā)的海域，這對(duì)我國(guó)海軍的反潛作戰(zhàn)提出了相當(dāng)高的要求。海洋戰(zhàn)場(chǎng)的重要性與日俱增，要想對(duì)這個(gè)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)做充分了解，必須大力發(fā)展軍事海洋學(xué)和海洋環(huán)境預(yù)報(bào)能力。我國(guó)的海洋環(huán)境預(yù)報(bào)系統(tǒng)不斷升級(jí)進(jìn)步，已經(jīng)達(dá)到了良好的預(yù)報(bào)效果，但作為軍事使用還具有一定的差距和不足，未來還應(yīng)該在以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)：1）構(gòu)建和完善海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)海洋衛(wèi)星觀測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，將這些資料同化到數(shù)值模式中去，提供更為準(zhǔn)確的海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境預(yù)報(bào)。2）發(fā)展能夠識(shí)別中尺度現(xiàn)象（eddy-resolving）的耦合多模塊海洋數(shù)值模式，減小模式誤差，提高模擬精確度。3）發(fā)展數(shù)據(jù)同化技術(shù)。4）提高數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。5）培養(yǎng)高素質(zhì)的軍事海洋學(xué)人才。最終目標(biāo)是形成一套完整的精確的海洋環(huán)境預(yù)報(bào)系統(tǒng)作為軍事使用，未來能夠使得作戰(zhàn)官兵在海洋戰(zhàn)場(chǎng)中可以及時(shí)的根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果了解周圍作戰(zhàn)環(huán)境的狀況和變化特征，據(jù)此作出判斷為作戰(zhàn)提供科學(xué)支持。

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Overview of US navy operational ocean prediction system

XU Yang， QI Jiu-cheng， LI Qing， LIU Hai-feng
（No. 63850 Unit of PLA， Baicheng 137000， China）

US Navy operational ocean prediction system is originally motivated from Soviet era， since then， US Navy conducted a series of programs to build ocean observation network， develop numerical ocean model and naval oceanography，aims to build a complete and accurate global ocean prediction system. US Navy oceanography has been at the forefront of the world. This paper will describe the development of US Navy ocean prediction system， show its achievements and current situation. It has important reference to the development of our military oceanography and national ocean prediction system.

US Navy oceanography；data assimilation；coupled models；US Navy ocean prediction system

P732

A

1672-7619（2016）05-0142-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.030

2015-09-08；

2016-02-02

徐洋（1989-），女，助理工程師，研究方向?yàn)槲锢砗Ｑ髮W(xué)。