美国海军发展海洋环境预报的最初动机源于冷战时期针对苏联的反潜计划,苏联核潜艇的不断发展使得美国对反潜的要求越来越高,而首先需要做的就是对海洋中的各个环境要素进行准确预报,例如海水的温盐结构、潮汐、海流、海洋中锋和涡漩的位置等信息。之后,美国海军海洋预报不断发展,预报范围从深海扩展到沿海,预报结果逐渐应用于海军航空陆战队作战(例如海豹突击队),两栖登陆作战以及水雷战等。任何预报都必须基于对其物理规律的研究和认识,美国海军大力发展军事海洋学,研究海洋物理规律,构建全球海洋观测网络,开发海洋数值模型,目标就是建成一套完整、精确的全球海洋预报系统。本文将对美国制定的实现这一目标的具体路线进行阐述,介绍其过去的成果、现状以及未来的发展计划,并结合我国的实际情况简要论述其对我国军事海洋学和海洋预报发展的启示和借鉴。
1 美国海军海洋预报系统的起源及发展历程早在冷战初期,为了应对苏联潜艇的挑战,美国海军就已经开始了反潜战术的研究,最初采用声呐技术监听潜艇发动机运行时发出的巨大噪音从而判断潜艇的位置,19 世纪 50 年代,美国在数艘常规动力潜艇上装载 BQR-4 球型低频被动声呐,将它们部署在格陵兰-冰岛-英国间的海域(即所谓的 GIUK 间隙),建立了一条针对苏联的声呐反潜阻线。核动力潜艇出现后,美国海军则利用其变速轮、水泵等器件冷却过程中产生的噪音来进行定位跟踪。而海洋中声音的传播和收集受到各种水文要素的影响,例如海洋中的内波、锋、涡旋等。美国海军很早就意识到要想利用声学原理准确定位潜艇,必须首先对海洋要素进行分析和预报。
1976年 6 月,美国海军在加拿大蒙特利尔举行第一届海洋预报研讨会,针对苏联的潜艇计划,会议提出了发展海洋预报的目标,最初的应用是为反潜战提供海洋热力学结构预报。会议指出 2 个紧迫的具体任务:1)开发一个改良的海表面温度诊断模式,能够结合现场实测数据将美国海军海表面温度图升级到每 6 或每 12 小时更新一次。2)利用多层的、开边界环流和热力学模式对出现海洋锋和温度异常的海区海洋状况进行预报。据此,美国海军把重点放在发展热力学海洋预报系统(TOPS)上,该系统计划采用垂直一维模式网格来模拟上混合层的热力学结构。此外,会议还初步确定将海军海洋预报系统作为一个长期发展计划
1981年,第二届海洋预报研讨会在美国蒙特雷召开,会议讨论了美国海军海洋预报的进展情况和未来发展方向。会议提出:1)利用实时的、现场的遥感数据改进海洋预报。2)开发四维数据同化方法。3)开发先进的统计和动力学方法来研究开边界环流、闭边界环流以及深海变化。据此,构建一个有效的全球海洋观测系统,提供高性能的计算设备,成为首要任务。
1986年,第三届海洋预报研讨会召开,美国海军的海洋学家和美国海军研究院的专家共同讨论美国海军海洋预报的未来之路,决定利用全球海洋观测系统中的高度计、散射计资料和海洋水色遥感资料、海表面及以下现场观测资料,来对海洋中尺度现象进行预报。为了更好地满足美国海军对反潜的要求,会议还建议将高分辨率的区域模式耦合到低分辨率的全球模式,以实现计算可行的预报,用于战术范围地区。
与此同时,美国海军海洋学家 Seesholtz 授权美国海洋学协会发展具有中尺度特征的全球海洋预报系统,并计划在 1992 年投入业务化应用。此外,他还为美国海军海洋学办公室争取超级计算设备,升级美国舰队数值海洋学中心,为运行新的预报系统做硬件准备。这三届海洋预报研讨会的召开奠定了美国海军海洋预报发展的基础,逐步形成了美国海军海洋预报系统发展的进程表,从最初的海洋热力学结构的模拟和预报,到海洋动力学模式的开发和应用,以及对中尺度现象的关注和重视,美国海军循序渐进,制订了一套较为完备的发展计划。1992 年,Peloquin 开发了一个海军海洋模型,与 Seesholtz 提出的目标基本相符。2002 年,研讨会上提出的目标基本都已实现,包括发展全球海洋预报,解决中尺度特征的描述等。
2 美国海军海洋预报系统的结构依托美国海军很早就认识到发展海洋预报的 2 个关键要素是技术和人才。利用先进技术可以优化硬件、软件,提高系统传递、处理和利用信息的能力,而另一个关键就是要拥有一批高素质的海洋学人才。为此,美国海军制定了军事海洋学计划(NOP),由海军气象和海洋学司令部(CNMOC)管理,并直接向总指挥美国海军舰队司令部(USFF)报告。该计划的基金由海军海洋学家们负责管理支配。军事海洋学的任务是使作战部队具备物理战场意识和环境意识。为此,美国海军研发机构集中精力加强对海洋作战环境的认识和理解,努力实现信息化,目标就是希望在未来,作战官兵能够利用实时观测数据和数值模式结果,结合两者充分了解海洋作战环境的变化,实现信息化作战。
2002年以来,美国军事海洋学已经发生了重大的革命性变化。美国军事海洋学计划已在世界各地建立了分支机构和区域中心,它们服从海军舰队司令部的指挥,由位于蒙特雷舰队数值海洋学中心、斯坦尼斯航天中心海军海洋学办公室的主要产品中心提供支持。最近几年,信息返回单元已经在一些主要地区建立起来,这些单元具有良好的人工控制性,能够为战争地区提供支持。
除了信息返回单元的支持,还需要有专业人士在现场操作和分析。为此,美国海军组建了战斗群海洋学团队(SGOTs),部署在大型航空母舰和两栖战舰上,为永久驻扎在舰上的作战气象学部门军官提供技术支持。此外,移动环境团队(METS)和可行性预报小组的数量不断增加以满足舰队新任务的需求,如无人机作战任务。2010 年,在诺福克和圣地亚哥成立了美国舰队气象中心,为航空和航海提供技术支持,其任务之一就是与部队一起培训气象学家助理(AGs)和能够进行战斗空间环境预报的军事人才。
如今,美国军事海洋学作战司令部(NOOC)是直接为作战提供气象学和海洋学技术支持的主要机构。军事海洋学作战司令部主管舰队气象中心,战斗群海洋学团队和其他战争地区的指挥部门,例如海军海洋学水雷战中心和 2 个海军海洋学反潜作战中心。美国军事海洋学作战司令部是一个世界范围内的指挥部门,重点为作战小组提供合格的气象学家助理。
舰队数值海洋学中心和海军海洋学办公室是美国海军 2 个主要的数值产品中心,它们利用最新的数据,提供专业的全球气候和海洋预报场,而用户可以根据作战情况选择性的调出自己所需的数据。海军海洋学办公室已经成为国防部超级计算资源中心(DSRC)(位于密西西比州的斯坦尼斯航空中心)的主要用户之一,利用该计算资源,海洋学办公室进一步提高了基于模式的海洋预报的质量和时效性。
由此看来,美国海军注重人才培养和技术发展,形成了较为科学的管理和指挥团队,各部门分工明确,各司其职,部门与部门之间形成了密切的合作关系,为军事海洋学的发展提供了良好保障和依托。
3 美国海军海洋预报系统的技术沿革要想真正了解复杂的海洋物理规律,准确模拟海洋动力过程,还需要具有高端的计算能力。1976 年,美国海军认识到他们对海洋的了解和计算能力不足以支持准确的海洋预报。美国作战委员会,海军研究办公室(ONR),海军研究实验室(NRL),空间和海上战争系统司令部(SPAWAR)的战斗空间意识和信息作战计划办公室(PMW-120),这 4 个机构之间形成了密切的合作关系,其中海军研究办公室和海军研究实验室合作开展基础研究,然后通过 PMW-120 的海洋学家将其研究成果转为业务化应用,这需要通过一套有序的流程来实现。数年后,美国军事海洋学计划(NOP)制定了迅速转换成产品项目(RTP),旨在及时识别出现的问题,指挥科研机构在 3 年内实现既定目标。最新的成功案例有区域热带气旋模型,风暴涌浪和洪水模拟,以及海洋模式的四维变分数据同化方案。
表 1 显示了海洋模式和数据同化技术在美国海军业务化预报系统中不断应用的发展过程。20 世纪 90 年代,最初的作战系统包括了全球海军分层海洋模式(NLOM)和基于普林斯顿海洋模式(POM)构建的区域浅水分析与预报系统(SWAFS),其中前者可以预报中尺度特征,如漩涡,水平分辨率高达 1/32°,垂直方向分为 6 个拉格朗日层。POM 模式是 1977 年美国普林斯顿大学 Blumberg 与 Mcllor 合作开发的一个三维斜压方程海洋模式。模式的主要特征是嵌套了一个 2.5 阶湍闭合模型以解决垂向湍流粘滞系数和扩散系数,水平方向采用正交曲线网格,能够更好地拟合复杂的岸线、岛屿边界,减小了误差。模式采用成熟的热力学方程组,水平时间差分采用显示格式而垂直方向采用隐式格式,为此可以使得垂向上不受 CFL 条件的限制。基于 POM 模式的种种优势,它被广泛应用,特别是在近岸、海湾、河口等区域。而 POM 模式本身也存在着不足,模式采用单一的 sigma 坐标,无法很好地描绘表面混合层等,因此还存在着一定的误差和缺陷亟待解决。
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表 1 2002 与 2014 年美国海军海洋环境预测系统对比 Tab.1 US Navy environmental prediction system, 2002 vs. 2014 |
另一方面,海军近海模式(NCOM)的应用扩展至全球范围内,用以描绘深海和大陆架的海表面动力学过程,模式水平分辨率较低(为 1/8°),垂直分辨率较高,设置 41 个 sigma 层。与此同时,全球大气模型-海军作战全球气象预报系统(NOGAPS)为海军海洋预报系统提供大气强迫,为嵌套耦合海洋/大气中尺度预报系统(COAMPS)中的高分辨率大气模块提供开边界条件。
全球波浪模型包括 WAVEWATCH Ⅲ(WW3)系统和波浪作用模型(WAM),也逐步实现业务化应用,为一些近岸预报系统提供边界条件,如海军标准风浪模型。
21世纪的头十年,美国海军又利用 NCOM 开发了一个更高分辨率的快速浮动嵌套海洋模型,为一些关键地区提供预报。近年来,这些嵌套海洋模型被纳入到 COAMPS 系统中,结合近岸波浪模拟模型(SWAN)的波浪动力系统,最终形成一个覆盖全球各地的耦合高分辨率海洋/波浪/大气预报系统。
目前,美国业务化全球海洋系统基于 HYCOM(HYbrid Coordinate Ocean Model)海洋模式,模式运行水平分辨率为 1/12°,垂直方向分为 32 层,根据需要也可以设置水平分辨率 1/25°,垂直方向分为 41 层。HYCOM 海洋模式是在美国迈阿密(MIAMI)大学 MICOM 模式基础上开发的全球海洋环流模式,模式垂向采用混合坐标(等密度坐标、sigma 坐标、z 坐标),因此称为混合坐标海洋模式,模式的主要特点有水平采用墨卡托坐标、正交坐标和平面坐标,垂向采用 z 坐标、sigma 坐标和等密度坐标,提供多种湍闭合方案,以解决上混合层的密度混合问题,模式考虑了多种海气要素及要素之间的相互作用,内容更加丰富,与实际大洋更加接近,因此在全球大洋的模拟研究中应用广泛并取得了良好效果。此外,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的海冰模式(CICE)为北极冰盖现报/预报系统(ACNFS)提供海冰边缘和厚度预报。ACNFS 是一个双向耦合 HYCOM/CICE 系统,嵌套在全球 HYCOM 模式中。
与此同时,美国全球大气预报也由 NOGAPS 系统演变为海军全球环境模式(NAVGEM),NAVGEM改进了数值计算方法,提高了计算效率,从而提高了网格分辨率和重要物理过程的参数化水平。眼下美国海军的工作重点是双向耦合全球 WW3 系统和 HYCOM/CICE 系统,以及 NAVGEM 模式,从而实现美国海军的地球系统预报能力,而这只是美国国家地球系统预报能力的一部分。
新的嵌套耦合海洋/大气中尺度预报系统(COAMPS)提高了分辨率和精度,用户可以根据需要灵活地选择不同组件,包括大气、海洋、波浪或海冰等。动力学预报组件是业务化预报系统的核心。整个预报系统的必要组成部分包括数据,数据同化和预报不确定性。在过去的 10 年里,COAMPS 系统中的大气海洋同化方法由三维变分数据同化方案(3DVAR)进化到四维变分数据同化方案(4DVAR),系统中的 SWAN 模块以及其他组件也正在转换为四维变分同化。这样以来,模式可以利用传感器传来的连续不断的数据流提高自身的初始化水平。
美国将新的卫星频道和传感器包加入到同化系统中,NOP 计划很大程度上依赖于美国国家卫星传感器获取的大气和海洋信息。对于高度关心的地区,美国海军放置了现场传感器,海军研究办公室还开发了无人水下航行器(UUVs)。美国海军海洋学家发起了濒海战斗空间感知融合和集成计划(LBSFI),还计划向业务化预报中心-美国海军海洋学办公室运送 150 架海洋滑翔机,用于海军高度关心的地区。
无人驾驶飞行器(UAVs)和传感器能够更好的获取海洋大气边界层的特征,提供更多的现场温度和湿度数据,未来十年,美国海军利用非传统来源数据的能力将有所提高,如将舰载雷达、无人潜航器和无人机数据传输到产品中心,以及整合这些数据进行车载短期分析,并迅速更新短期预报。传感器的自动化控制是整个系统的重要组成部分。
了解预报的可信度是美国海军预报员的重要工作。考虑初始条件和强迫的误差概率分布,通过整合定量信息,提供环境影响作战的概率预报。美国海军,NOAA(National Oceanic and Atmospheric Adminisyration)和美国空军之间的合作,以及 NOAA 和加拿大环境部的合作,创建了一个美国国家大气整合系统。这个整合系统与美国国家统一业务化预报能力计划(NUOPC)相一致。NUOPC 计划将美国海军,NOAA 和加拿大环境部的整合预报产品相结合,完成了一个包含 60 个组件的业务化多模式全球大气整合预报产品。
4 美国海军海洋预报系统的未来计划图 1 综示了美国海军环境预报系统过去,现在和未来计划的结构。由图可看到,2002 年时,系统结构和流程比较简单,由分辨率较低的全球模式和分辨率较高的区域模式、近海模式进行嵌套,逐级提供输出值,平行模块之间相对独立,这样对计算要求较低,但误差较大,与实际情况有较大差距。到 2014 年,从结构图看到,平行模块之间的耦合应用广泛,利用观测值进行数据同化和模式耦合等能够使得系统的模拟和预报结果精确度大大提高,这也对计算能力提出了很高的要求。从 2020 的计划结构来看,美国海军计划发展高度耦合的模式系统,并且加入了高空和陆地模块,建立共享数据流,改进数据同化方法,使得输出结果与实际情况更加接近,这也意味着需要更强大的计算能力作为硬件支撑。
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图 1 美国海军环境预报系统过去、现在和未来的结构(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) |
未来美国海军的海洋预报将重点发展耦合模型和量化预报不确定性。美国海军气象和海洋学司令部计划在未来十年增加双向/多向耦合区域模型的数量,并将耦合技术应用到海浪,海冰、大气、海气相互作用等多个模块。早在 1986 年,美国海军海洋学家制定了一个长期目标,发展能够描述中尺度特征的全球海洋预报系统,因此这个目标的重点放在了 N-ESPC 的开发及其业务化。未来 10 年,N-ESPC 计划推出一个多模式整合预报系统,该系统将气候模式加入到预报中,扩大了现有的 NUOPC 的多模式功能,最终形成长期预报能力。N-ESPC 还包括建立一个美国全国范围的预报建模系统,由 NOAA,美国国防部,国家航空和宇航局,国家科学基金会和能源部共同合作,初步计划在 2018 年之前完成。此外,美国还将加强对人才的培养,气象预报员助理的培训中将加入更多的知识和技能。
5 结 语美国海军业务化海洋预报系统起源于反潜作战需要精确的海洋热力学预报,进而发展了海洋预报数值模式和资源同化技术。美国海军在军事海洋学的发展上秉承技术和人才同步发展,其设有一系列职能部门对军事海洋预报的发展进行管理和规划。军事海洋学发展的根本目的是使作战人员具有海洋战场环境意识,并能充分利用复杂的海洋信息。美国海军目前拥有较为成熟的大洋和近岸预报预报模式,能够对海流、海浪、海冰和海洋的温盐结构进行较为准确的预报。同时美国海军进一步发展无人航行器(UUV)和无人飞行器(UAV)技术,为数值模式的资料同化提供帮助。美国海军海洋预报未来的发展方向是将不同的数值模式进行耦合,从而提供更加准确的预报系统。
美国海军海洋预报系统的发展过程可以对我国海军海洋水文预报起到重要借鉴作用。我国海洋领土面积广阔,除了渤海属我国内海以外,黄海、东海和南海与邻国海域均存在权益争端,海洋环境复杂多变,其中南海又是台风,中尺度涡,内波等天气海洋现象频发的海域,这对我国海军的反潜作战提出了相当高的要求。海洋战场的重要性与日俱增,要想对这个复杂战场做充分了解,必须大力发展军事海洋学和海洋环境预报能力。我国的海洋环境预报系统不断升级进步,已经达到了良好的预报效果,但作为军事使用还具有一定的差距和不足,未来还应该在以下几个方面进行改进和升级:1)构建和完善海洋观测网络,加强海洋卫星观测和现场观测,将这些资料同化到数值模式中去,提供更为准确的海洋战场环境预报。2)发展能够识别中尺度现象(eddy-resolving)的耦合多模块海洋数值模式,减小模式误差,提高模拟精确度。3)发展数据同化技术。4)提高数据运算能力。5)培养高素质的军事海洋学人才。最终目标是形成一套完整的精确的海洋环境预报系统作为军事使用,未来能够使得作战官兵在海洋战场中可以及时的根据预报结果了解周围作战环境的状况和变化特征,据此作出判断为作战提供科学支持。
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