美國海軍海洋業務預報縱覽

朱亞平，程周杰，何錫玉

（1.海軍海洋水文氣象中心，北京100161；2.航空氣象防化研究所，北京100085)

美國海軍海洋業務預報縱覽

朱亞平1，程周杰2，何錫玉1

（1.海軍海洋水文氣象中心，北京100161；2.航空氣象防化研究所，北京100085)

回顧了過去幾十年美國海軍海洋學的發展歷程，介紹了海軍海洋學業務保障體系，對其科研機構和研發機制以及業務系統發展特點進行總結，同時指出美國海軍海洋預報業務系統和總體科研發展規劃。通過深入分析國外海洋氣象科技發展的最新動態和海洋氣象預報業務科研建設的最新成果，對我國海洋氣象事業的業務發展和科研規劃提供有價值的參考。

海軍海洋學;氣象海洋;模式耦合;數據同化;集成預報

1 引言

海洋是覆蓋于地球表面的復雜動態系統，海洋環境狀況及其信息對海洋水文保障、海洋能資源開發等都有重要意義[1]。獲取全球海浪、大尺度海流變化、海面風場數據，開展全球和區域海洋環境監測預報，把握海洋動態變化規律，對于國家安全、海洋軍事、全球商業、氣候變化、漁業管理等社會需求，具有非常重要的軍事和民用價值[2]。近年來，海洋經濟發展、海洋防災減災以及海洋軍事和國家安全保障等對海洋氣象預報業務和服務的要求越來越迫切[3-4]。加強全球氣象水文綜合的業務預報能力，增強海洋、氣象、測繪等多學科多領域的交叉融合，成為海洋預報業務發展的重點領域。

美國海軍海洋學（Naval Oceanography）綜合戰力作為美國海軍全球海洋戰略的信息化作戰力量前沿，在海洋環境氣象水文信息獲取和監測預報能力方面具有突出的技術領先優勢。上世紀70年代，美國海軍就意識到了海洋預報的重要性，隨后幾十年，美國海軍海洋學發展經歷了復雜的演變過程，其體系結構雖不斷調整，但其遍布全球的業務保障機構提供了非常有效地服務[5-6]，海軍獨具特色的科技研發力量也一直處于國際領先地位。海軍的業務系統從最初的定性預報、區域預報發展到后來的全球和區域定量化、精細化預報[7-9]，其理論基礎不斷完善，信息獲取和處理手段不斷豐富，高性能計算機的飛速發展也使得海軍預報水平有了大幅躍升。迄今，海軍海洋學已經拓展到沿海預報，海軍海陸空分隊、兩棲艦船登陸、水雷戰等作戰應用領域。隨著計算機和網絡技術的飛速發展，海軍海洋學的全球海域實時觀測、信息獲取、數據處理、海洋氣象預報能力得到快速提升，國際優勢地位日趨顯見。

本文參考相關文獻，回顧了過去幾十年美國海軍海洋學的發展歷程，介紹了海軍海洋學的保障體系，分析了其科研機構和研發機制以及業務系統發展特點，并指出美國海軍海洋預報業務系統和總體科研發展規劃。通過深入了解國外海洋氣象科技發展的最新動態和海洋氣象預報業務科研建設的最新成果，對我國海洋氣象的業務發展和科研規劃及海洋開發建設等提供一種思路和借鑒。

2 保障體系和流程

2.1 保障體系

海軍氣象海洋（Meteorological and Oceanog-

raphic，METOC）保障體系大致可以分為日常作戰業務保障和總體規劃管理及科技研發兩部分。海軍的總體規劃管理由海軍海洋學家（Oceanographer of the Navy）負責實施，其專有研發機構包括海軍研究實驗室（Naval Research Laboratory，NRL）、海軍研究局（Office of Naval Research，ONR）等（關于科技研發的內容將在下文進行論述）。美國海軍海洋學家是海軍作戰部氣象海洋計劃的發起者，也是海軍海洋學計劃（Naval Oceanography Program，NOP）的代表，與氣象海洋學司令部密切協作，其使命是為作戰用戶提供海戰場物理環境認知，在保證作戰和航行安全的前提下，結合實時觀測和數值預報模式，開發環境的可變性，使海軍具備信息優勢和海上機動作戰能力。NOP負責技術和人力資源相關工作，以滿足海軍和國防部需求，其業務部門是海軍氣象海洋司令部，負責管理NOP并直接向艦隊司令報告，這保證了海軍海洋學機構可以直接面向保障用戶，其資金則由海軍海洋學家進行管理。

海軍氣象海洋司令部隸屬于艦隊司令部，作為NOP的業務部門，負責海軍氣象水文業務保障，其構成示意圖見圖1。它包括海軍海洋辦公室、艦隊數值氣象海洋中心、海軍海洋作戰司令部、海軍氣象海洋專業發展中心、海軍天文臺等5個下屬業務單位。

艦隊數值氣象海洋中心和海軍海洋辦公室是兩個主要的產品中心，分別提供定制的全球氣象和海洋預報產品。海軍海洋辦公室目前已經成為國防部超級計算資源中心（DoD Supercomputing Resource Center，DSRC）的主用戶，在海洋預報的質量和時效上都有了顯著提高。艦隊數值氣象海洋中心和海軍海洋辦公室均可以在DSRC上自主控制、運行和監測全球預報模式。這對于采用“in house”計算模式來講是一個根本性的變化，將有效促進全球耦合和高分辨率系統的發展。

圖1 美國海軍氣象水文業務保障體系示意圖

海軍海洋作戰司令部是面向作戰直接提供保障的主要單位，由艦隊氣象中心、打擊群海洋學分隊和其它作戰區域司令部組成，如海軍海洋水雷戰中心，兩個反潛作戰中心。海軍海洋作戰司令部是全球范圍的司令部，為作戰單元培養合格的氣象觀測員，收集海洋信息，提供決策支持。一些關鍵地理位置部署了回傳（reach-back）作戰單元，可以很好地集中人力和專業技術用以保障作戰區域，如反潛、特種作戰和水雷戰等。雖然有回傳系統作保障，但現場保障專業技能也必不可少。打擊群海洋學分隊部署在航母和兩棲艦船等大型艦只上。另外，大量機動環境保障分隊和小的預報單元，也提高了艦隊執行新任務（如無人機作戰）的保障能力。2010年成立了兩個艦隊氣象中心—諾?？撕褪サ?，分區負責實施海上航空預報。

海軍氣象海洋專業發展中心主要負責預報物

理環境的技術訓練及人員教育培訓。

2.2 保障流程

隨著美國海軍戰略發展需要，海軍海洋學的氣象水文保障體系經歷了幾次大的變革和調整，但海軍海洋學遍布全球的分部和下屬單位仍可提供最有效的保障。圖2描述了海軍整個氣象海洋保障業務的范圍和流程，從新型傳感器、預報模式的科技研發到數據同化、模式預報和艦隊作戰保障。海軍研究實驗室、海洋學家等研發部門提供的新產品、新技術，提高了數據收集方法和預報性能，通過產品中心為海軍提供了有效信息。國防部和Web通信服務將預報和觀測數據分發給回傳中心，經預報員進一步分析，再將有價值的預報結果傳送到遍布全球的嵌入式氣象海洋分隊。

圖2 美國海軍氣象海洋保障業務范圍和流程示意圖

3 科技研發和業務系統

美國海軍海洋學自上世紀70年代以來，在海洋物理量場的信息獲知及海洋預報方面已經擁有世界領先的技術優勢，并形成了自己獨具特色的業務系統和研發力量。

3.1 科技研發

海軍有自己專門的科技研發機構，如美國海軍研究局、海軍研究實驗室、海軍空間作戰系統司令部（Space and Naval Warefare Systems Command，SPAWAR）戰場信息作戰計劃辦公室PMW-120，這些機構和作戰部門都有深入合作。海軍研究局和海軍研究實驗室密切協作，開展基礎研究，對新性能新方法進行論證示范，通過海軍海洋學家PMW-120辦公室進行規劃，在艦隊數值氣象海洋中心和海軍海洋辦公室兩個業務產品中心將系統轉化成作戰使用。上述過程幾乎在同一階段實施完成，確?？萍佳邪l能夠合理有效地轉化成作戰能力，當然這些轉化成果的效能需要在后期作戰使用中進行驗證。業務保障的總體單位是氣象海洋司令部，它的職責是優化作戰需求，在對現有資源充分理解的基礎上，針對新研或改研項目，為科技研發單位提供指導，以滿足作戰需求指標。通常情況下，

正常的開發和轉化過程需要幾年時間，NOP為了縮短周期，設立了快速轉換（Rapid Transition to Production，RTP）計劃，可以在3a內轉化為新型作戰使用能力。當前RTP的重點項目包括：區域熱帶氣旋模式、風暴引起的巨浪和強降水以及海洋模式四維數據同化等。

海軍擁有自己獨特的研發機制，通過管理建模監督小組（Adm inistrative Modeling Oversight，AMOP）將METOC預報系統轉化成業務應用。AMOP既包括基礎和開發研究，也有新一代業務能力轉化程序。通常分為3個階段。首先，海軍業務單位就新型能力提出一系列需求，海軍研究局或海軍研究實驗室等科研單位根據需求進行基礎和開發研究，設計方案的可行性通過審查，即通過AMOP的第一個階段。在這一階段，研究機構（如海軍研究實驗室）和產品中心合作，進行開發，并對新系統進行充分的驗證測試。研究人員和產品中心工作人員合作，制定轉化計劃，在定義功能需求、接洽方式、任務完成的時間節點以及如何將新系統適應作戰環境等方面達成一致?？茖W驗證試驗小組由開發人員、產品中心科學家及外單位專家組成，對新系統應用性能及滿足海軍需求的能力進行審核批準，形成驗證測試報告（Validation Test Report，VTR）。該報告經小組批準后，系統進入第二階段。開發人員和科學家聯合將系統裝備到產品中心業務應用單位，這些產品制作分隊接管新系統，進行業務應用評估，提交最后的轉化評估報告，保證新系統可以業務運行，并驗證該系統是否能很好地滿足最初的需求，同時將業務產品分發給海軍用戶。這些工作均要形成報告遞交給AMOP。批準后，進入第三階段，系統發布，業務運行。

通過上述這些管理程序，所有參與者都能知曉項目的計劃進程和優先排序，科技研發部門提供了問題的解決方法，產品中心和海軍用戶則對新性能也比較熟悉，能夠較快地完成計劃方案。AMOP獨特的進程處理方式拉近了科研人員、應用專家、發起者、管理者和用戶之間的聯系，使新型業務系統能夠快速滿足海軍的需求。

3.2 業務系統

自上世紀90年代以來，隨著高性能計算機性能的提高，多模式間耦合嵌套，可以實時觀測資料和衛星、雷達等非常規觀測資料的變分同化處理，以及物理參數化過程的不斷改進和提高，美國海軍的業務預報系統實現了突飛猛進的跨越式發展。

20世紀90年代，海軍海洋學家致力于全球海洋預報能力的開發，以及區域中尺度特征的識別。較早的業務系統包括：海軍分層海洋模式（Navy Layered Ocean Model，NLOM）和區域淺水分析預報系統（Shallow Water Analysis and Forecast System，SWAFS）。NLOM用于預報中尺度特征（如渦旋），水平分辨率1/32°，垂直方向拉格朗日層6層。SWAFS則是在POM海洋模式（Princeton Ocean Model）基礎上形成。隨后，有了更高分辨率的全球海軍海岸模式（NavalCoastalOcean Model，NCOM），水平分辨率1/8°，垂直方向41層（Sigma和Z），可以更好地描述下墊面動力過程，從深海延伸到大陸架。同時，大氣強迫是很多海洋預報模式的源，全球大氣模式海軍全球大氣預報系統（Navy Operational Global Atmospheric Prediction System, NOGAPS）[10]為更高分辨率的海氣耦合中尺度預報系統（Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System,COAMPS）提供邊界條件[11]。業務化運行的全球海浪模式WW 3（WAVEWATCH III）[12]和海浪動態模式（Wave Action Model,WAM），為近岸預報系統（Navy Standard Surf Model，NSSM）提供邊界條件。

21世紀頭20年，多模式間的嵌套、非常規資料的數據同化，以及改進的高分辨率和精細化預報成為主流。海軍海洋辦公室圍繞NCOM研發高分辨、快速嵌套的模式，很快將其應用到區域和沿岸預報，為全球一些關鍵區域提供保障。近幾年，這些嵌套的海洋模式和COAMPS實現了一體化，同時還有海浪動力系統（SimulatingWaves Nearshore，SWAN）[13]和WW 3，因此，海洋/海浪/大氣預報系統成為完整的預報系統，在全球任何地區均實現了高分辨率預報。所有這些開發都是在地球系統模擬框架ESMF（The Eath System Modeling FrameWork）下實現的，該軟件可以耦合天氣、氣候和相關模式。表1中列出了較具代表性的2002和2014年業務預報系統模式和數據同化技術。

總結近些年海軍海洋環境預報業務系統發展，

其演變大體可以總結為以下幾點：

（1）多模式間嵌套，新一代嵌套模式將改進分辨率和準確率，增加物理過程的描述。目前，業務運行的全球海洋系統是基于混合坐標海洋模式（Hybrid CoordinateOcean Model，HYCOM），水平分辨率1/12°，垂直方向32層，正在研發的替代模式水平分辨率1/25°，垂直41層。Los A lamos海冰模式（Community Ice CodeE，Los A lamos Sea Ice Model，CICE）通過（Arctic Cap Now cast/Forecast System，ACNFS）提供北極海冰邊緣和厚度的預報，耦合HYCOM和CICE，嵌套在HYCOM上。全球1/25° HYCOM模式與相同分辨率的CICE整合，對潮汐的描述更加先進。另外，全球大氣預報也由NOGAPS發展到海軍全球環境模式（Navy Global EnvironmentalModel，NAVGEM），NAVGEM提高了計算效率和網格分辨率，重要物理過程參數化有所改進，并逐步投入業務使用。COAMPS-TC熱帶氣旋模式將改進變量的靈活選取，可拓展到近岸區加強業務應用[14]。與此同時，相關的研發工作也在開展，全球WW 3模式和HYCOM/CICE耦合后，將與NAVGEM做進一步海氣耦合，形成海軍第一代地球系統預報能力（Naval of an Earth System Prediction Capability），這是國家地球系統預報能力（National Earth System Prediction Capability，N-ESPC）的重要組成部分[15]。

表1 2002年和2014年美國海軍環境預報系統

（2）數據同化方案不斷改進和提高。動力學預報參量是形成業務預報能力的核心，與過去相比，參量的處理已取得較大改進。大氣模式數據同化從3維變分（3DVAR）發展到4維（4DVAR），COAMPS均實現了大氣海洋的4DVAR。另外，SWAN和COAMPS也在努力實現4DVAR，并且正在研發4DVAR耦合所有變量的工作。這些數據同化方案可以將傳感器獲取的數據作為連續變量進

行處理，以提高模式的初始化。

（3）新增衛星通道和傳感器數據可不間斷的引入到同化系統中。NOP對衛星遙感大氣海洋數據有很強的依賴性，另外，高度敏感區也需要傳感器的實時監測。海軍研究局提倡開發水下無人設備（Unmanned Undersea Vehicles，UUVs），海洋學家發起瀕海戰場感應融合整合（Littoral Battlespace Sensing Fusion and Integration，LBSFI）計劃。除此以外，無人機（Unmanned Aerial Vehicles，UAVs）和傳感器用于海面上大氣邊界層參數的獲取，可以提供重要的溫濕實時觀測數據，對確定表面波導有實際意義。未來20 a，非常規數據的應用能力將會有所提高，如艦載雷達、UUV、UAV數據到產品中心的數據傳輸，并將這些數據整合到艦船上做短期分析，然后快速做出短期預報。傳感器的自動導航和控制將是整個系統的關鍵所在。

（4）預報的可信度水平正在提高，集合預報系統將廣泛加強合作，不斷提高預報能力。熟知預報的可信度水平對預報員而言非常關鍵，已經有很多集成方法提供定量信息，只要給出初始條件和強迫的誤差概率分布，就能夠做出環境對作戰影響的概率預報。2011年，多個機構參與并啟動了NUOPC全球大氣預報系統（National Unified Operational Prediction Capability），在大氣海洋集合預報領域開展協作。海軍、空軍、美國國家海洋的大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Adm inistration, NOAA）等國家部門之間的合作將大力提高模式集合預報能力。

圖3 美國海軍環境預報系統發展示意圖

4 發展前瞻

對業務系統而言，海軍海洋預報未來發展的主要方向是加強模式間的耦合，通過增加成員變量，改進集合預報的預報效果。氣象海洋司令部制定了未來10 a的發展目標，即多途徑耦合區域海洋氣象模式，并將其轉化為業務運行，如海洋-海浪、海洋-海冰、大氣-海浪、大氣-海洋-海冰-海浪（見圖3）。美國海軍METOC模式是從單向耦合發展到雙向耦合的。目前，美國海軍建立了基于集合預報的大氣概率預報模型和區域海洋預報模式，未來國家地球系統預報能力將和海軍的應用緊密結合，通過增加成員變量，改進集合預報的預報效果。區域、沿海和全球模式的雙向耦合將會提高整體系統的預報性能。區域和N-ESPC模式間的耦合只是模式有效運行的一小部分工作，最本質的計算將是運動方程的前向積分。

而對于海軍海洋學家來說，當前制定的長期目標是N-ESPC的開發和業務運行。N-ESPC是國家層面上規劃的預報系統，該計劃有多家機構參與研發，如NOAA、國防部（Department of Defense，DOD）、美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Adm inistration，NASA）、美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）、能源部（Departmentof Energy，DE）。N-ESPC通過耦合多個模式，開發無縫高效的預報模式，實現全球模式耦合（大氣-海洋-海浪-海冰-陸地），保證所有變量信息間的回饋機制，考慮不同動力學環境系統間的相互作用。如印度洋和海上熱帶地區海洋、大氣間相互作用產生的Madden-Julien振蕩傳播，只有通過耦合，才能對類似的事件進行預報[16]。海軍參與N-ESPC的目的是提供關鍵參數（如海流、熱力學結構、海浪、海冰、大氣條件），加強和擴展當前NUOPC多模式能力，獲得更長時效（超出季節預報）的預報。

5 展望

隨著科學技術的發展，各學科相互滲透，新理論新技術發展迅速[17]，未來海洋氣象預報員將面臨更復雜的挑戰，不僅需要具備多方面的知識技能，還需要綜合各種因素，做出科學預報，特別需要在概率預報和長期指導預報上具有熟練的決策能力。對于業務部門而言，未來發展的關鍵部分將是海洋、大氣、陸地等多模式間的耦合，通過集合預報增加預報變量，提高海洋環境的準確預報能力。另外，新技術新方法的業務有效轉化能力也將是很大的挑戰。而對于研發部門而言，提出國家層面上的多模式耦合系統，進一步開發氣候模式，通過不同模式介質間通量的相互作用，改進能量傳輸的回饋機制，將是長期而又艱巨的挑戰。

[1]鄭崇偉,游小寶,潘靜,等.釣魚島、黃巖島海域風能及波浪能開發環境分析[J].海洋預報,2014,31(1):49-57.

[2]鄭崇偉,潘靜,黃剛.利用WW 3模式實現中國海擊水概率數值預報[J].北京航空航天大學學報,2014,40(3):314-320.

[3]Zheng CW,Li C Y.Variation of the wave energy and significant wave height in the China Sea and adjacentwaters[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2015,43:381-387.

[4]Zheng CW,Pan J,Li JX.Assessing the China Sea w ind energy and wave energy resources from 1988 to 2009[J].Ocean Engineering,2013,65:39-48.

[5]BurnettW,Harding J,Heburn G.Overview of operational ocean forecasting in the U.S.Navy:Past,present&future[J]. Oceanography,2002,15(1):4-12.

[6]Burnett W,Harper S,Preller R,et al.Overview of operational ocean forecasting in the US Navy:Past,present,and future[J]. Oceanography,2014,27(3):24-31.

[7]Anonymous.Ocean forecasting[J].Eos,Transactions American Geophysical Union,1977,58(5):279-281.

[8]Clancy R M,Pollak K D.A real-time synoptic ocean thermal analysis/forecast system[J].Progress in Oceanography,1983,12 (4):383-424.

[9]Peloquin R A.The navy oceanmodeling and prediction program—From research to operations:An overview[J].Oceanography,1992, 5(1):4-8.

[10]Rosmond T E,Teixera J,Peng M,etal.Navy Operational Global Atmospheric Prediction System(NOGAPS):Forcing for ocean models[J].Oceanography,2002,15(1):99-108.

[11]Hodur R M.The Naval Research Laboratory’s Coup led Ocean/ Atmosphere Mesoscale Prediction System(COAMPS)[J]. M onthlyWeather Review,1997,125(7):1414-1430.

[12]Tolman H L,Balasubramaniyan B,Burroughs L D,et al. Development and implementation of w ind-generated ocean surfacewavemodels at NCEP[J].Weather and Forecasting,2002, 17(2):311-333.

[13]Rogers W E,Hwang P A,Wang D W.Investigation of wave grow th and decay in the SWAN model:Three regional-scale applications[J].Journal of Physical Oceanography,2003,33(2): 366-389.

[14]Doyle JD,Hodur RM,Chen S,etal.Tropical cyclone prediction using COAMPS-TC[J].Oceanography,2014,27(3):104-115.

[15]Curry K,Sandgathe S,Lord S,etal.The Earth System Prediction Capability:A multiagency partnership to advance US environmental prediction[EB/OL].(2011-01-25).https://ams. confex.com/ams/91Annual/webprogram/Paper180124.htm l.

[16]Waliser D,Weickmann K,Dole R,et al.The experimentalMJO prediction project[J].Bulletin of the American Meteorological Society,2006,87(4):425-431.

[17]劉明月,蘭秀凱.怎樣做好南海的氣象保障[J].海洋預報,2011, 28(6):72-76.

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

國家自然科學基金項目（40805012）；中國博士后科學基金（20070420577）

朱亞平（1978-），女，工程師，主要從事衛星遙感應用研究。E-mail：creamyap@126.com

10.11737/j.issn.1003-0239.2015.05.012