物理海洋室

物理海洋室

 海洋环境与数值模拟研究室(以下简称“物理海洋室”)前身为始建于1958年的海军海洋研究所及1965年归国家海洋局建制后的海洋一所水文气象研究室。1986年与一所的地球流体力学和数值模拟研究室合并。1997年以该研究室为基础在国家海洋局系统创建地球流体力学和数值模拟国家海洋局重点实验室。2001年更为现名。

 研究室面向国家经济建设、海洋权益、军事安全等重大需求,以增进对中国近海及全球大洋重要海洋动力过程及其规律的认识、提高海洋学研究对国家可持续发展的贡献等为主要工作目标,以物理海洋学为主要研究领域,涉及海洋环境科学相关的交叉性前沿领域。研究室综合应用数学、物理学方法,发展海洋调查技术、数据分析技术、数值模拟技术和信息技术,以现场调查、实验、海洋遥感和数值模拟为主要研究手段,研究海洋环境及其演变机理。

 主要研究内容涵盖:中国近海、大洋及极地海洋动力学;海洋调查和实验技术;海洋数值模拟与数据分析技术;以及海洋动态信息技术等。

 学科方向及主要研究内容包括:

 (一)中国近海、大洋及极地海洋动力学。研究中国近海、临近大洋及极地海洋现象的形成和变异机理,研究海洋环流系统及其物质输运和环境效应;研究海-陆-气相互作用机理,揭示海洋在全球气候变化中的作用,发展气候预测理论。

 (二)海洋调查和实验技术。发展声、光、电海洋测量方法,开发海洋调查技术和实验水槽、物理模型等实验技术,研发海洋调查资料处理和分析方法,应用于海洋重要过程基本规律的分析与研究。

 (三)海洋数值模拟与数据分析技术。在海洋动力系统理论框架下,发展海洋数值计算和数据分析方法,发展风-浪-流耦合数值模式体系,开发包括数据库、基本模式群、应用模式群和资料同化技术的海洋数值模拟应用系统、气候预测系统,应用于海洋多学科、多尺度数值模拟与预报、预测。

 (四)海洋动态信息技术。开发海洋环境数据库、数据可视化、系统集成等计算机技术,建设海洋环境信息保障系统,实现气候预测、灾害预报、军事保障、海洋工程等信息化管理与服务。

 研究室以海洋动力系统发展思路,自主发展了海浪、风浪流耦合等先进的数值模拟体系并实现业务化运行;在国际上海洋科研领域首次建立了包含海浪的地球系统模式并参加了CMIP5国际耦合模式比对计划,形成了一定影响力;开发建立了针对海洋模式的高效并行集合调整卡尔曼滤波同化系统;在波浪动力学、近海及大洋环流、潮汐潮流、全球气候变化等学科领域取得了多项高水平研究成果。在推动海洋科学与技术进步的同时,为近海工程、海上油气田开发和海洋安全等领域提供了高水平科技支撑。

 在收集南海海洋动力环境历史资料基础上,集成现场实测和遥感数据,研发了针对海洋动力环境信息的实时收集及预处理系统、网络平台及存储系统;基于多源观测数据及再分析数据,建立了南海动力环境信息数据库及服务产品数据库;研制开发了南海海域高分辨率大气、海洋业务化预报模式系统,开展了南海海域台风条件下的大气海洋耦合同化数值模式研究;开发了包括数据预处理、质量控制、灾害预报和海洋动力环境数值产品服务等功能在内的业务化软件和信息发布软件应用服务集成系统。应用技术系统实现了对南中国海大气海洋环境的高分辨率业务化预报,提高了高海况下海洋工程环境的数值模拟能力,增强了对南海海洋环境的灾害预报能力;实现了南海现场观测资料、遥感资料和再分析资料的国内数据共享和信息共享,使南海海洋环境安全保障能力迈上了一个新的台阶。

 南海海洋动力环境数据集成与应用系统的开发在一定程度上推动了我国对南海海洋动力环境的研究水平,能够对海洋产业、海洋工程、海洋渔业等方面带来一定的经济和社会效益。研究室根据数值模拟结果,首次提出了太平洋-印度洋贯穿流南海分支的概念,指出这一分支是沟通南海与邻近大洋的重要水交换形式。基于全球可变网格的数值模式,定量分析了南海与外海的水交换、热量和淡水收支,指出南海与外海的水交换是南海的制冷机。通过国际合作,首次获取了沟通南海与印度洋的卡里马塔海峡和巽他海峡的海流定点连续观测资料,并基于这一观测资料,计算出冬季从南海有可观的海水流向印尼海,对南海和印尼贯穿流均有重大影响,这也证实了我国科学家提出的太平洋-印度洋贯穿流南海分支的存在。这一分支对于南海的水团形成、海气热量交换和淡水交换有着重要的意义。首次基于卡里马塔海峡的潮流观测资料计算了南海与印尼海之间的潮能通量密度,全日潮能从南海传向爪哇海,半日潮能在卡里马塔海峡和南纳土纳海东部从南海传向爪哇海,但是在加斯帕海峡和南纳土纳海西部传播方向相反。基于巽他海峡的观测资料和卫星遥感资料,指出沟通爪哇海和印度洋的巽他海峡存在强烈的季节内信号,并在每年北半球春季最强,受到上游印度洋季节内信号的影响。本研究成果根据观测资料计算出的潮汐潮流基本参量,可以为航海提供了潮汐潮流预报的基本参数,并对我国南部海上能源通道环境保障和国防建设有重要意义。项目实现了浅海海床基观测技术突破,自主开发了达到国际同期水平的观测系统,并投入了到渤海和印尼海的应用。

 基于自主发展的MASNUM第三代波浪数值模式及集合调整滤波同化技术,发展了可适用用于浅水区的波浪能流密度谱积分计算方法,开展了中国海OE-W01区块重点区与非重点区高分辨率精细化逐时波浪数值模拟及波浪能资源储量数值评估;建立了研究区域准同步、高技术观测手段的波浪、气象条件立体式观测网,实现了重点勘查区现场观测资料和非重点勘查区卫星遥感资料的模式模拟效果验证。

 基于数模产品和遥感产品,对研究海区有效波高、有效周期、能量周期、有效时长、能流密度、波高等级频率、周期等级频率、能流密度等级频率及变异系数等多个波浪要素参数进行了波浪场及波浪能资源分布特征的系统分析与评估,摸清了OE-W01区块重点区与非重点区波浪能资源储量及其时空分布规律。为中国海波浪能优先开发利用区选划提供了技术支撑,为我国近海波浪能资源的开发利用规划提供了决策依据。发展的自主MASNUM波浪数值模式多重嵌套与资料同化技术实现了边界波浪能量交换平衡以及计算负载平衡,满足不同地形条件特别是中国海近岸复杂地形的要求;波浪观测方式上实现了波浪气象浮标、波浪浮标、声学多普勒波浪观测仪、卫星遥感及X波段雷达等的立体式观测,在多个重点勘查区开展了海面、海底、岸基和太空的准同步观测示范。研究成果选划出了中国海波浪能资源富集区,为海洋能资源管理决策提供了科学依据,并进一步促进海洋经济与资源、环境的协调发展。

 发展的自主MASNUM波浪数值模式多重嵌套与资料同化技术实现了边界波浪能量交换平衡以及计算负载平衡,满足不同地形条件特别是中国海近岸复杂地形的要求;波浪观测方式上实现了波浪气象浮标、波浪浮标、声学多普勒波浪观测仪、卫星遥感及X波段雷达等的立体式观测,在多个重点勘查区开展了海面、海底、岸基和太空的准同步观测示范。研究成果选划出了中国海波浪能资源富集区,为海洋能资源管理决策提供了科学依据,并进一步促进海洋经济与资源、环境的协调发展。

 极地物理海洋和海洋气象考察锚碇浮标和潜标作为白令海、北冰洋业务观测体系的重要组成部分,极大地提高了我国在该海区的业务化观测能力,填补北冰洋冬季环境要素雪龙船观测的空白。通过多次执行北极科学考察现场任务,北极海域物理海洋和海洋气象考察长期锚碇观测在极地浮标标体系统、数据采集系统和通讯系统设计、适合极地低温环境的传感器及插件遴选、浮标系统调试、潜标布放姿态调整与回收方案等方面均获得了丰富的经验。五北楚科奇海潜标的成功布放和回收、七北两套潜标的顺利布放、六北和七北海-气界面通量浮标的成功布放和顺利获取数据都意味着我国已基本掌握北极复杂现场情况下基于“雪龙号”科考船的潜标/浮标投放技术。不仅取得了大量宝贵的实测数据,积累了丰富的极地调查经验,而且在现场调查能力、方式及手段、数据分析和科学研究等方面都取得了突出的成绩,对我国未来北极物理海洋和海洋气象考察更快更好发展有着重要的意义。

 研究室现有科研人员58名,其中中国工程院院士2名,中国科学院外聘院士1名,美国工程院院士(兼中国工程院外籍院士)1名,研究员11人,副研究员12人。具有博士学位的20人,45岁以下科研人员占90%。享受政府特殊津贴6人,百千万人才2人。具备18万亿次/秒的计算能力和350T的存储能力。拥有单台价值十万元以上调查设备100余台,价值超过5000万元。近年来参与10余项大型国际合作计划项目,有4人在国际组织任职,发起推动了中国-印尼海洋科技合作。