美国海军海洋业务预报纵览

朱亚平，程周杰，何锡玉

（1.海军海洋水文气象中心，北京100161；2.航空气象防化研究所，北京100085)

美国海军海洋业务预报纵览

朱亚平1，程周杰2，何锡玉1

（1.海军海洋水文气象中心，北京100161；2.航空气象防化研究所，北京100085)

回顾了过去几十年美国海军海洋学的发展历程，介绍了海军海洋学业务保障体系，对其科研机构和研发机制以及业务系统发展特点进行总结，同时指出美国海军海洋预报业务系统和总体科研发展规划。通过深入分析国外海洋气象科技发展的最新动态和海洋气象预报业务科研建设的最新成果，对我国海洋气象事业的业务发展和科研规划提供有价值的参考。

海军海洋学;气象海洋;模式耦合;数据同化;集成预报

1 引言

海洋是覆盖于地球表面的复杂动态系统，海洋环境状况及其信息对海洋水文保障、海洋能资源开发等都有重要意义[1]。获取全球海浪、大尺度海流变化、海面风场数据，开展全球和区域海洋环境监测预报，把握海洋动态变化规律，对于国家安全、海洋军事、全球商业、气候变化、渔业管理等社会需求，具有非常重要的军事和民用价值[2]。近年来，海洋经济发展、海洋防灾减灾以及海洋军事和国家安全保障等对海洋气象预报业务和服务的要求越来越迫切[3-4]。加强全球气象水文综合的业务预报能力，增强海洋、气象、测绘等多学科多领域的交叉融合，成为海洋预报业务发展的重点领域。

美国海军海洋学（Naval Oceanography）综合战力作为美国海军全球海洋战略的信息化作战力量前沿，在海洋环境气象水文信息获取和监测预报能力方面具有突出的技术领先优势。上世纪70年代，美国海军就意识到了海洋预报的重要性，随后几十年，美国海军海洋学发展经历了复杂的演变过程，其体系结构虽不断调整，但其遍布全球的业务保障机构提供了非常有效地服务[5-6]，海军独具特色的科技研发力量也一直处于国际领先地位。海军的业务系统从最初的定性预报、区域预报发展到后来的全球和区域定量化、精细化预报[7-9]，其理论基础不断完善，信息获取和处理手段不断丰富，高性能计算机的飞速发展也使得海军预报水平有了大幅跃升。迄今，海军海洋学已经拓展到沿海预报，海军海陆空分队、两栖舰船登陆、水雷战等作战应用领域。随着计算机和网络技术的飞速发展，海军海洋学的全球海域实时观测、信息获取、数据处理、海洋气象预报能力得到快速提升，国际优势地位日趋显见。

本文参考相关文献，回顾了过去几十年美国海军海洋学的发展历程，介绍了海军海洋学的保障体系，分析了其科研机构和研发机制以及业务系统发展特点，并指出美国海军海洋预报业务系统和总体科研发展规划。通过深入了解国外海洋气象科技发展的最新动态和海洋气象预报业务科研建设的最新成果，对我国海洋气象的业务发展和科研规划及海洋开发建设等提供一种思路和借鉴。

2 保障体系和流程

2.1 保障体系

海军气象海洋（Meteorological and Oceanog-

raphic，METOC）保障体系大致可以分为日常作战业务保障和总体规划管理及科技研发两部分。海军的总体规划管理由海军海洋学家（Oceanographer of the Navy）负责实施，其专有研发机构包括海军研究实验室（Naval Research Laboratory，NRL）、海军研究局（Office of Naval Research，ONR）等（关于科技研发的内容将在下文进行论述）。美国海军海洋学家是海军作战部气象海洋计划的发起者，也是海军海洋学计划（Naval Oceanography Program，NOP）的代表，与气象海洋学司令部密切协作，其使命是为作战用户提供海战场物理环境认知，在保证作战和航行安全的前提下，结合实时观测和数值预报模式，开发环境的可变性，使海军具备信息优势和海上机动作战能力。NOP负责技术和人力资源相关工作，以满足海军和国防部需求，其业务部门是海军气象海洋司令部，负责管理NOP并直接向舰队司令报告，这保证了海军海洋学机构可以直接面向保障用户，其资金则由海军海洋学家进行管理。

海军气象海洋司令部隶属于舰队司令部，作为NOP的业务部门，负责海军气象水文业务保障，其构成示意图见图1。它包括海军海洋办公室、舰队数值气象海洋中心、海军海洋作战司令部、海军气象海洋专业发展中心、海军天文台等5个下属业务单位。

舰队数值气象海洋中心和海军海洋办公室是两个主要的产品中心，分别提供定制的全球气象和海洋预报产品。海军海洋办公室目前已经成为国防部超级计算资源中心（DoD Supercomputing Resource Center，DSRC）的主用户，在海洋预报的质量和时效上都有了显著提高。舰队数值气象海洋中心和海军海洋办公室均可以在DSRC上自主控制、运行和监测全球预报模式。这对于采用“in house”计算模式来讲是一个根本性的变化，将有效促进全球耦合和高分辨率系统的发展。

图1 美国海军气象水文业务保障体系示意图

海军海洋作战司令部是面向作战直接提供保障的主要单位，由舰队气象中心、打击群海洋学分队和其它作战区域司令部组成，如海军海洋水雷战中心，两个反潜作战中心。海军海洋作战司令部是全球范围的司令部，为作战单元培养合格的气象观测员，收集海洋信息，提供决策支持。一些关键地理位置部署了回传（reach-back）作战单元，可以很好地集中人力和专业技术用以保障作战区域，如反潜、特种作战和水雷战等。虽然有回传系统作保障，但现场保障专业技能也必不可少。打击群海洋学分队部署在航母和两栖舰船等大型舰只上。另外，大量机动环境保障分队和小的预报单元，也提高了舰队执行新任务（如无人机作战）的保障能力。2010年成立了两个舰队气象中心—诺福克和圣迭戈，分区负责实施海上航空预报。

海军气象海洋专业发展中心主要负责预报物

理环境的技术训练及人员教育培训。

2.2 保障流程

随着美国海军战略发展需要，海军海洋学的气象水文保障体系经历了几次大的变革和调整，但海军海洋学遍布全球的分部和下属单位仍可提供最有效的保障。图2描述了海军整个气象海洋保障业务的范围和流程，从新型传感器、预报模式的科技研发到数据同化、模式预报和舰队作战保障。海军研究实验室、海洋学家等研发部门提供的新产品、新技术，提高了数据收集方法和预报性能，通过产品中心为海军提供了有效信息。国防部和Web通信服务将预报和观测数据分发给回传中心，经预报员进一步分析，再将有价值的预报结果传送到遍布全球的嵌入式气象海洋分队。

图2 美国海军气象海洋保障业务范围和流程示意图

3 科技研发和业务系统

美国海军海洋学自上世纪70年代以来，在海洋物理量场的信息获知及海洋预报方面已经拥有世界领先的技术优势，并形成了自己独具特色的业务系统和研发力量。

3.1 科技研发

海军有自己专门的科技研发机构，如美国海军研究局、海军研究实验室、海军空间作战系统司令部（Space and Naval Warefare Systems Command，SPAWAR）战场信息作战计划办公室PMW-120，这些机构和作战部门都有深入合作。海军研究局和海军研究实验室密切协作，开展基础研究，对新性能新方法进行论证示范，通过海军海洋学家PMW-120办公室进行规划，在舰队数值气象海洋中心和海军海洋办公室两个业务产品中心将系统转化成作战使用。上述过程几乎在同一阶段实施完成，确保科技研发能够合理有效地转化成作战能力，当然这些转化成果的效能需要在后期作战使用中进行验证。业务保障的总体单位是气象海洋司令部，它的职责是优化作战需求，在对现有资源充分理解的基础上，针对新研或改研项目，为科技研发单位提供指导，以满足作战需求指标。通常情况下，

正常的开发和转化过程需要几年时间，NOP为了缩短周期，设立了快速转换（Rapid Transition to Production，RTP）计划，可以在3a内转化为新型作战使用能力。当前RTP的重点项目包括：区域热带气旋模式、风暴引起的巨浪和强降水以及海洋模式四维数据同化等。

海军拥有自己独特的研发机制，通过管理建模监督小组（Adm inistrative Modeling Oversight，AMOP）将METOC预报系统转化成业务应用。AMOP既包括基础和开发研究，也有新一代业务能力转化程序。通常分为3个阶段。首先，海军业务单位就新型能力提出一系列需求，海军研究局或海军研究实验室等科研单位根据需求进行基础和开发研究，设计方案的可行性通过审查，即通过AMOP的第一个阶段。在这一阶段，研究机构（如海军研究实验室）和产品中心合作，进行开发，并对新系统进行充分的验证测试。研究人员和产品中心工作人员合作，制定转化计划，在定义功能需求、接洽方式、任务完成的时间节点以及如何将新系统适应作战环境等方面达成一致。科学验证试验小组由开发人员、产品中心科学家及外单位专家组成，对新系统应用性能及满足海军需求的能力进行审核批准，形成验证测试报告（Validation Test Report，VTR）。该报告经小组批准后，系统进入第二阶段。开发人员和科学家联合将系统装备到产品中心业务应用单位，这些产品制作分队接管新系统，进行业务应用评估，提交最后的转化评估报告，保证新系统可以业务运行，并验证该系统是否能很好地满足最初的需求，同时将业务产品分发给海军用户。这些工作均要形成报告递交给AMOP。批准后，进入第三阶段，系统发布，业务运行。

通过上述这些管理程序，所有参与者都能知晓项目的计划进程和优先排序，科技研发部门提供了问题的解决方法，产品中心和海军用户则对新性能也比较熟悉，能够较快地完成计划方案。AMOP独特的进程处理方式拉近了科研人员、应用专家、发起者、管理者和用户之间的联系，使新型业务系统能够快速满足海军的需求。

3.2 业务系统

自上世纪90年代以来，随着高性能计算机性能的提高，多模式间耦合嵌套，可以实时观测资料和卫星、雷达等非常规观测资料的变分同化处理，以及物理参数化过程的不断改进和提高，美国海军的业务预报系统实现了突飞猛进的跨越式发展。

20世纪90年代，海军海洋学家致力于全球海洋预报能力的开发，以及区域中尺度特征的识别。较早的业务系统包括：海军分层海洋模式（Navy Layered Ocean Model，NLOM）和区域浅水分析预报系统（Shallow Water Analysis and Forecast System，SWAFS）。NLOM用于预报中尺度特征（如涡旋），水平分辨率1/32°，垂直方向拉格朗日层6层。SWAFS则是在POM海洋模式（Princeton Ocean Model）基础上形成。随后，有了更高分辨率的全球海军海岸模式（NavalCoastalOcean Model，NCOM），水平分辨率1/8°，垂直方向41层（Sigma和Z），可以更好地描述下垫面动力过程，从深海延伸到大陆架。同时，大气强迫是很多海洋预报模式的源，全球大气模式海军全球大气预报系统（Navy Operational Global Atmospheric Prediction System, NOGAPS）[10]为更高分辨率的海气耦合中尺度预报系统（Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System,COAMPS）提供边界条件[11]。业务化运行的全球海浪模式WW 3（WAVEWATCH III）[12]和海浪动态模式（Wave Action Model,WAM），为近岸预报系统（Navy Standard Surf Model，NSSM）提供边界条件。

21世纪头20年，多模式间的嵌套、非常规资料的数据同化，以及改进的高分辨率和精细化预报成为主流。海军海洋办公室围绕NCOM研发高分辨、快速嵌套的模式，很快将其应用到区域和沿岸预报，为全球一些关键区域提供保障。近几年，这些嵌套的海洋模式和COAMPS实现了一体化，同时还有海浪动力系统（SimulatingWaves Nearshore，SWAN）[13]和WW 3，因此，海洋/海浪/大气预报系统成为完整的预报系统，在全球任何地区均实现了高分辨率预报。所有这些开发都是在地球系统模拟框架ESMF（The Eath System Modeling FrameWork）下实现的，该软件可以耦合天气、气候和相关模式。表1中列出了较具代表性的2002和2014年业务预报系统模式和数据同化技术。

总结近些年海军海洋环境预报业务系统发展，

其演变大体可以总结为以下几点：

（1）多模式间嵌套，新一代嵌套模式将改进分辨率和准确率，增加物理过程的描述。目前，业务运行的全球海洋系统是基于混合坐标海洋模式（Hybrid CoordinateOcean Model，HYCOM），水平分辨率1/12°，垂直方向32层，正在研发的替代模式水平分辨率1/25°，垂直41层。Los A lamos海冰模式（Community Ice CodeE，Los A lamos Sea Ice Model，CICE）通过（Arctic Cap Now cast/Forecast System，ACNFS）提供北极海冰边缘和厚度的预报，耦合HYCOM和CICE，嵌套在HYCOM上。全球1/25° HYCOM模式与相同分辨率的CICE整合，对潮汐的描述更加先进。另外，全球大气预报也由NOGAPS发展到海军全球环境模式（Navy Global EnvironmentalModel，NAVGEM），NAVGEM提高了计算效率和网格分辨率，重要物理过程参数化有所改进，并逐步投入业务使用。COAMPS-TC热带气旋模式将改进变量的灵活选取，可拓展到近岸区加强业务应用[14]。与此同时，相关的研发工作也在开展，全球WW 3模式和HYCOM/CICE耦合后，将与NAVGEM做进一步海气耦合，形成海军第一代地球系统预报能力（Naval of an Earth System Prediction Capability），这是国家地球系统预报能力（National Earth System Prediction Capability，N-ESPC）的重要组成部分[15]。

表1 2002年和2014年美国海军环境预报系统

（2）数据同化方案不断改进和提高。动力学预报参量是形成业务预报能力的核心，与过去相比，参量的处理已取得较大改进。大气模式数据同化从3维变分（3DVAR）发展到4维（4DVAR），COAMPS均实现了大气海洋的4DVAR。另外，SWAN和COAMPS也在努力实现4DVAR，并且正在研发4DVAR耦合所有变量的工作。这些数据同化方案可以将传感器获取的数据作为连续变量进

行处理，以提高模式的初始化。

（3）新增卫星通道和传感器数据可不间断的引入到同化系统中。NOP对卫星遥感大气海洋数据有很强的依赖性，另外，高度敏感区也需要传感器的实时监测。海军研究局提倡开发水下无人设备（Unmanned Undersea Vehicles，UUVs），海洋学家发起濒海战场感应融合整合（Littoral Battlespace Sensing Fusion and Integration，LBSFI）计划。除此以外，无人机（Unmanned Aerial Vehicles，UAVs）和传感器用于海面上大气边界层参数的获取，可以提供重要的温湿实时观测数据，对确定表面波导有实际意义。未来20 a，非常规数据的应用能力将会有所提高，如舰载雷达、UUV、UAV数据到产品中心的数据传输，并将这些数据整合到舰船上做短期分析，然后快速做出短期预报。传感器的自动导航和控制将是整个系统的关键所在。

（4）预报的可信度水平正在提高，集合预报系统将广泛加强合作，不断提高预报能力。熟知预报的可信度水平对预报员而言非常关键，已经有很多集成方法提供定量信息，只要给出初始条件和强迫的误差概率分布，就能够做出环境对作战影响的概率预报。2011年，多个机构参与并启动了NUOPC全球大气预报系统（National Unified Operational Prediction Capability），在大气海洋集合预报领域开展协作。海军、空军、美国国家海洋的大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Adm inistration, NOAA）等国家部门之间的合作将大力提高模式集合预报能力。

图3 美国海军环境预报系统发展示意图

4 发展前瞻

对业务系统而言，海军海洋预报未来发展的主要方向是加强模式间的耦合，通过增加成员变量，改进集合预报的预报效果。气象海洋司令部制定了未来10 a的发展目标，即多途径耦合区域海洋气象模式，并将其转化为业务运行，如海洋-海浪、海洋-海冰、大气-海浪、大气-海洋-海冰-海浪（见图3）。美国海军METOC模式是从单向耦合发展到双向耦合的。目前，美国海军建立了基于集合预报的大气概率预报模型和区域海洋预报模式，未来国家地球系统预报能力将和海军的应用紧密结合，通过增加成员变量，改进集合预报的预报效果。区域、沿海和全球模式的双向耦合将会提高整体系统的预报性能。区域和N-ESPC模式间的耦合只是模式有效运行的一小部分工作，最本质的计算将是运动方程的前向积分。

而对于海军海洋学家来说，当前制定的长期目标是N-ESPC的开发和业务运行。N-ESPC是国家层面上规划的预报系统，该计划有多家机构参与研发，如NOAA、国防部（Department of Defense，DOD）、美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Adm inistration，NASA）、美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）、能源部（Departmentof Energy，DE）。N-ESPC通过耦合多个模式，开发无缝高效的预报模式，实现全球模式耦合（大气-海洋-海浪-海冰-陆地），保证所有变量信息间的回馈机制，考虑不同动力学环境系统间的相互作用。如印度洋和海上热带地区海洋、大气间相互作用产生的Madden-Julien振荡传播，只有通过耦合，才能对类似的事件进行预报[16]。海军参与N-ESPC的目的是提供关键参数（如海流、热力学结构、海浪、海冰、大气条件），加强和扩展当前NUOPC多模式能力，获得更长时效（超出季节预报）的预报。

5 展望

随着科学技术的发展，各学科相互渗透，新理论新技术发展迅速[17]，未来海洋气象预报员将面临更复杂的挑战，不仅需要具备多方面的知识技能，还需要综合各种因素，做出科学预报，特别需要在概率预报和长期指导预报上具有熟练的决策能力。对于业务部门而言，未来发展的关键部分将是海洋、大气、陆地等多模式间的耦合，通过集合预报增加预报变量，提高海洋环境的准确预报能力。另外，新技术新方法的业务有效转化能力也将是很大的挑战。而对于研发部门而言，提出国家层面上的多模式耦合系统，进一步开发气候模式，通过不同模式介质间通量的相互作用，改进能量传输的回馈机制，将是长期而又艰巨的挑战。

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Overview of USnavaloperationalocean forecasting system

ZHUYa-ping1,CHENG Zhou-jie2,HEXi-yu1
(1.Marine HydrometeorologicalCenter,Beijing 100161 China;2.Institute ofAviationMeteorology,Beijing 100085 China)

The US naval oceanography have the prom inent technological advantages in the world w ide oceanic monitoring and forecasting,and the developments undergo revolutionary infrastructure changes.The naval METOC operational supportand service system are introduced,and the Science and Technology(S&T),Research and Development(R&D),the operational model systems are described,the future thrusts in Navy ocean prediction are discussed.The motivation lies in the analyses and statement in the US naval oceanography to provide the valuableand reference forournationaloceanic developmentsand programs.

NavalOceanography;METOC;Coupledmodel；dataassim ilation；ensemble forecast

P731

A

1003-0239（2015）05-0098-08

2015-02-03

国家自然科学基金项目（40805012）；中国博士后科学基金（20070420577）

朱亚平（1978-），女，工程师，主要从事卫星遥感应用研究。E-mail：creamyap@126.com

10.11737/j.issn.1003-0239.2015.05.012