1.2　近期的例子

浮点运算速度达十亿次的巨大并行计算机和海洋表面丰富的卫星遥感数据使海洋数值模型产生了根本性的改变。在很长一段时间里，海洋模拟中的主要局限性是无法解决变形的内Rossby半径，而这对于精确地描述中尺度涡旋和西边界流等突出过程来说非常关键，其中前者是动荡的海洋中水平混合和传输的主要模式，而后者是每个大洋中的环流的基础。目前还没有达到能够用数值模型来真实地表示并重现这些过程的阶段，但是确实已经有“低细解析度”的模型。Semtner（1995），Stammer等（1996）以及Fu和Smith（1996）描述了这样的模型。在综合的全球模型中可达到的分辨率为1/5°（约20km），在简化的全球模型中分辨率可达到1/8°（约12km），而在流域尺度的模型中分辨率约为1/16°（约6km）。由于西边界流的宽度大约不到100km，而中尺度涡旋的范围从大约20km到几百千米，要对主要的海洋动力学进行很好的表示，至少需要1/20°的分辨率（约5km），这要求高性能计算机具有几万亿次的浮点运算能力。不过，目前的海洋模型已经开始变得比较真实。

1.2.1　测高法

卫星精密测高法的出现使得对海洋表面高度（SSH）振荡的测量值精度达到均方根值2～3cm，这对海洋观测具有革命性的意义（Fu等，1994）。1992年启动了NASA/CNES TOPEX/Poseidon（T/P）任务，这在全球海洋SSH振荡值的测量中取得了巨大成功，使得测量值与过去几年相比达到了空前的高精度。测高仪沿着预定的轨道对海洋进行采样，每一个轨道的重访周期接近9.94天，目前已经获得了超过6年的数据，提供的实例超过230个。测高仪通过测定它所发出的微波信号被海洋表面反射回来的传播延迟，从而测量出它本身与海洋表面的距离。T/P的双频射能力使电离层对于传播时间的精确校正得以实现，孔径辐射计使湿对流层的校正能够精确，总的来说，传感器与海洋表面的距离能够精确到2～3cm。由于相对较高的轨道（距离地球表面约1350km）以及对此高度的精确确定，传感器在太空中的位置也能被非常精确地确定（均方误差2～3cm），这两项测量使得对于地心的SSH能达到3～5cm的精度（Fu等，1994）。

然而，主要的问题是，这个信号的主要部分是大地水准面，即海洋静止不动的情况下海洋表面所参照的等位面。在中尺度变化的波数很高的情况下，若没有专门的重量测定任务，就无法精确地确定大地水准面。然而，通过求取轨道上点的SSH多次重复观测值的平均值可以对固定的大地水准面信号进行消除。遗憾的是，在对每个点求取平均值后，同时也去除了平均海洋SSH信号，最后所得的平均值只保留了SSH异常。因此，虽然目前可以用测高仪对SSH的变化进行精确制图，却不能对绝对的SSH值进行制图。而且，T/P为海洋学家在对全球海洋的许多重要时间尺度和空间尺度上的海洋变化进行采样的过程中提供了一种便捷的方式，而这一壮举是用现场观测值不能完成的，因为现场观测值具有高度分散的特性。该方式得到的高质量时间系列数据集可以用来模拟全球海洋变化，同时也可以与高分辨率的全球模型进行对比或者直接同化到该模型中。Wunsch和Stammer（1998）讨论了现代卫星测高仪在更好地理解海洋环流变化中的作用。

T/P使海洋潮汐在全球海洋中的制图精度达到前所未有的级别（残余均方误差为3cm（Andersen等，1995，Shum等，1997），使全球海洋中任何地方的精确潮汐都可得到，而不仅仅是沿海岸线的区域或者浩瀚海洋中的少数检测位置。由于潮汐是SSH变化中的主要信号，它不仅让精确的潮下变化可以被推断出来，而且有助于更好地理解潮汐和潮汐能量学。将T/P获得的潮汐同化到高分辨率的全球正压潮汐模型中（Kantha，1995b），这将是20世纪高性能计算机和精密测高仪这两种引以为豪的科技相结合的例子，使我们能够精确地估计全球海洋中的潮汐耗散。

下面将描述一个高分辨率的2D全球正压潮汐模型和一个高分辨率3D的全球环流模型，以说明1998年海洋模拟的技术水平。

1.2.2　二维正压模型

Kantha（1995 b）描述了一个高分辨率（1/5°）的非线性准全球（不包含北冰洋）2D正压潮汐模型，该模型将测高仪获得的潮汐和检潮仪获得的测量结果进行了同化（见第6章关于潮汐的部分），它提供了对全球海洋中每个地方的潮汐的估计。该模型的结果对于理解潮汐能量学非常有用，潮汐能量学是天文学和地球物理学所关注的焦点（Kantha等，1995；Munk，1997；Munk和Wunsch，1998；Kantha，1998）。该模型有140万个格网点，可以集成为一个单独的潮汐或者全部的主要潮汐。图1.2.1表示从该模型中获得的M2和K1潮流椭圆（第6章）。图中将椭圆绘制在一个对数尺寸的坐标上，目的是增强深海中的流动显示，与浅水中流速20～50cm/s相比，深海中的流速通常只有1～2cm/s。Kantha的模型得到的结果表明，月潮每个世纪造成地—月引力能3.17TW的耗散，从而导致地球的自转速率每个世纪大概降低2.4m/s，同时月球的轨道每个世纪大约增大3.7m。Munk（1997）用几种不同的方法进行月潮耗散速率估计，得到的值都大约为3.17TW，这是20世纪的伟大科学发现之一。Kantha和Tierney（1999）对这个结果进行了更新。

1.2.3　三维正压模型

图1.2.1　全球海洋中M2潮汐和K1潮汐的潮流椭圆

（1/5°正压潮汐模型对数坐标用于增强深海中流动的显示，其流速通常为1～2cm/s）
（a）M2潮流椭圆；（b）K1潮流椭圆

图1.2.2源自Fu和Smith（1996），该图将高分辨率的（平均1/5°）全球3D环流模型获得的SSH变化的均方根（包括1992～1994年）与从T/P测高仪获得的1992年10月至1994年10月的数据进行比较。该模型是在洛斯阿拉莫斯国家实验室的实验设计中开发的并行海洋程序（POP）（Smith等，1992；Dukowicz和Smith，1994），它建立在GFDL模型（Bryan，1969）的基础上，其在垂直方向有20个等级，格网点数目超过1100万个，运行于巨大的并行计算机上（CM5），为ECMWF（欧洲中期天气预报中心）1985～1995年间对风力和表面通量驱动进行的研究，它是最精确（与测高仪获得的SSH数据相比）且分辨率最高的完全热力学的全球海洋模型，对海洋进行不同年代的模拟，因此它代表着海洋数值模型的技术发展水平。图1.2.2表明对SSH变化进行的模拟比对T/P得到的数据更真实，虽然其本身也比较弱，模型的能量水平低了一半多（25cm2对64cm2）。主要的西边界流系统过早地逐渐消失，并不像预期的那样延伸到流域中。然而，模型似乎能很好地模拟主要的洋流系统（Fu和Smith，1996），尤其是对年周期特征的模拟。图1.2.3表示模型用T/P所得年度周期的幅值和相位。变化的空间模式是比较真实的，模型很好地对相位进行了再现，然而幅度则比较小。Stammer等（1996）将结果与Semtner和Chervin's（1992）的全球模型得到的结果对比后，得到了相似的结论，该全球模型所用的分辨率比POP模型运行所用的分辨率粗糙1.6倍。

图1.2.2　SSH变化的均方根与从T/P测高仪获得的数据比较

（a）海平面高度变化；（b）LANL POP模型

因此，当前最先进的海洋模型开始变得很真实，与大约10年前相比取得了巨大进步，10年前的海洋模型甚至不能够正确地重现海洋环流的空间特征。然而模型中洋流的残差和微弱性质与不完善的物理和表面应力有关，认为分辨率仍然不够将西边界流和中尺度变化进行全范围的处理。要使SSH变化模拟的模型更逼近真实观测值，必不可少地要将分辨率增大至4倍（1/20°），同时需要更准确的物理和表面应力，这是21个世纪计算机面临的巨大挑战之一。

图1.2.3　模型用T/P所得年度周期的幅值和相位