科研进展 | 提升海洋模式分辨率的重要性
Citation
Chassignet, E. P. and X. B. Xu. 2021: On the importance of high-resolution in large-scale ocean models. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-021-0385-7.
封面故事
提升海洋模式的分辨率：值得吗？
海洋环流模式广泛应用于短期和季节天气预报，以及长期的气候模拟。虽然接近真实的海洋环流模拟需要高昂的计算成本，尤其是模式分辨率从几十公里的尺度提升到几公里会耗费大量机时，但考虑到逼真的海洋模拟有助于预报员和决策者作出正确的判断，分辨率越高，越能发现和理解潜在的危险，提升分辨率应该是有百利而无一害的。。。。吧？
这个看似不是问题的问题，正是佛罗里达大学海洋大气预报研究中心Eric Chassignet 教授和Xiaobiao Xu（徐小标）博士在《大气科学进展》发表的一篇综述中要探讨的核心问题。
Eric Chassignet教授是该中心的主任，二十余年来致力于研发基于 HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM)模式的高分辨率、实时全球和海盆尺度的海洋预报系统。
Chassignet教授曾于2019年受到中国科学院高级人才访问计划院长奖（PIFI）的资助，在大气所讲学并与大气所海洋模式LICOM研发团队进行合作研究。在访问大气所期间，应编辑部邀请撰写该篇综述。
“提升分辨率能使我们更好地模拟出小尺度的海洋特征。问题是整体的海洋环流模拟是否因此也得到相应的改进，以及为此付出的计算成本是否值得。” Chassignet教授解释写这篇综述的原因时说，“也就是说，要让我们对物理海洋和地球气候的理解有显著的提升，分辨率和计算资源应该达到怎样的最佳组合比例？”
气候研究通常使用稀疏分辨率的海洋模式（水平分辨率100公里），在这一类模式中，海洋环流偏宽而稳定。
而当模式分辨率提高到大约10公里时，模拟的洋流开始不稳定，形成中尺度涡旋，有点像大气里的风暴，能够影响到地球系统的其他要素。
模式模拟的湾流表层流相对涡度（水平分辨率分别为50公里、6公里、2公里）。当模式分辨率提升到2公里时，能观察到更多的次中尺度涡
Chassignet教授认为仅仅是分辨中尺度涡旋还不足以精确地模拟大洋环流，因此，他们将分辨率提升到大约1公里，使得模式能够分辨更小的次中尺度涡，并使得模式中湾流的模拟更加接近观测。
然而，分辨率的提升成本高昂，分辨率每提升一倍，所需要的计算能力就得相应提升十倍。Chassignet教授认为我们需要进一步论证，提升分辨率是否使得水团模拟也相应改进。通常，分辨率的提升并不总是能改进海温或者盐度变化的模拟。
涡分辨全球模式现在已经被广泛运用于海洋预报中。模式在这一分辨率下能更好地模拟与观测一致的海洋变率和西边界流，而这些改进给气候模式所带来的附加价值也正在评估之中。
“接下来我们将按计划发展次中尺度涡全球海洋环流模式，以全面评估海洋模拟的能力，以及量化海洋模式对气候模式的影响。” Chassignet教授认为下一步应加强与计算机科学家的合作，以最大限度地利用最新的计算架构，确保计算机系统能够满足地球系统模拟的需求。