1.2　近期的例子

浮點運算速度達十億次的巨大并行計算機和海洋表面豐富的衛星遙感數據使海洋數值模型產生了根本性的改變。在很長一段時間里，海洋模擬中的主要局限性是無法解決變形的內Rossby半徑，而這對于精確地描述中尺度渦旋和西邊界流等突出過程來說非常關鍵，其中前者是動蕩的海洋中水平混合和傳輸的主要模式，而后者是每個大洋中的環流的基礎。目前還沒有達到能夠用數值模型來真實地表示并重現這些過程的階段，但是確實已經有“低細解析度”的模型。Semtner（1995），Stammer等（1996）以及Fu和Smith（1996）描述了這樣的模型。在綜合的全球模型中可達到的分辨率為1/5°（約20km），在簡化的全球模型中分辨率可達到1/8°（約12km），而在流域尺度的模型中分辨率約為1/16°（約6km）。由于西邊界流的寬度大約不到100km，而中尺度渦旋的范圍從大約20km到幾百千米，要對主要的海洋動力學進行很好的表示，至少需要1/20°的分辨率（約5km），這要求高性能計算機具有幾萬億次的浮點運算能力。不過，目前的海洋模型已經開始變得比較真實。

1.2.1　測高法

衛星精密測高法的出現使得對海洋表面高度（SSH）振蕩的測量值精度達到均方根值2～3cm，這對海洋觀測具有革命性的意義（Fu等，1994）。1992年啟動了NASA/CNES TOPEX/Poseidon（T/P）任務，這在全球海洋SSH振蕩值的測量中取得了巨大成功，使得測量值與過去幾年相比達到了空前的高精度。測高儀沿著預定的軌道對海洋進行采樣，每一個軌道的重訪周期接近9.94天，目前已經獲得了超過6年的數據，提供的實例超過230個。測高儀通過測定它所發出的微波信號被海洋表面反射回來的傳播延遲，從而測量出它本身與海洋表面的距離。T/P的雙頻射能力使電離層對于傳播時間的精確校正得以實現，孔徑輻射計使濕對流層的校正能夠精確，總的來說，傳感器與海洋表面的距離能夠精確到2～3cm。由于相對較高的軌道（距離地球表面約1350km）以及對此高度的精確確定，傳感器在太空中的位置也能被非常精確地確定（均方誤差2～3cm），這兩項測量使得對于地心的SSH能達到3～5cm的精度（Fu等，1994）。

然而，主要的問題是，這個信號的主要部分是大地水準面，即海洋靜止不動的情況下海洋表面所參照的等位面。在中尺度變化的波數很高的情況下，若沒有專門的重量測定任務，就無法精確地確定大地水準面。然而，通過求取軌道上點的SSH多次重復觀測值的平均值可以對固定的大地水準面信號進行消除。遺憾的是，在對每個點求取平均值后，同時也去除了平均海洋SSH信號，最后所得的平均值只保留了SSH異常。因此，雖然目前可以用測高儀對SSH的變化進行精確制圖，卻不能對絕對的SSH值進行制圖。而且，T/P為海洋學家在對全球海洋的許多重要時間尺度和空間尺度上的海洋變化進行采樣的過程中提供了一種便捷的方式，而這一壯舉是用現場觀測值不能完成的，因為現場觀測值具有高度分散的特性。該方式得到的高質量時間系列數據集可以用來模擬全球海洋變化，同時也可以與高分辨率的全球模型進行對比或者直接同化到該模型中。Wunsch和Stammer（1998）討論了現代衛星測高儀在更好地理解海洋環流變化中的作用。

T/P使海洋潮汐在全球海洋中的制圖精度達到前所未有的級別（殘余均方誤差為3cm（Andersen等，1995，Shum等，1997），使全球海洋中任何地方的精確潮汐都可得到，而不僅僅是沿海岸線的區域或者浩瀚海洋中的少數檢測位置。由于潮汐是SSH變化中的主要信號，它不僅讓精確的潮下變化可以被推斷出來，而且有助于更好地理解潮汐和潮汐能量學。將T/P獲得的潮汐同化到高分辨率的全球正壓潮汐模型中（Kantha，1995b），這將是20世紀高性能計算機和精密測高儀這兩種引以為豪的科技相結合的例子，使我們能夠精確地估計全球海洋中的潮汐耗散。

下面將描述一個高分辨率的2D全球正壓潮汐模型和一個高分辨率3D的全球環流模型，以說明1998年海洋模擬的技術水平。

1.2.2　二維正壓模型

Kantha（1995 b）描述了一個高分辨率（1/5°）的非線性準全球（不包含北冰洋）2D正壓潮汐模型，該模型將測高儀獲得的潮汐和檢潮儀獲得的測量結果進行了同化（見第6章關于潮汐的部分），它提供了對全球海洋中每個地方的潮汐的估計。該模型的結果對于理解潮汐能量學非常有用，潮汐能量學是天文學和地球物理學所關注的焦點（Kantha等，1995；Munk，1997；Munk和Wunsch，1998；Kantha，1998）。該模型有140萬個格網點，可以集成為一個單獨的潮汐或者全部的主要潮汐。圖1.2.1表示從該模型中獲得的M2和K1潮流橢圓（第6章）。圖中將橢圓繪制在一個對數尺寸的坐標上，目的是增強深海中的流動顯示，與淺水中流速20～50cm/s相比，深海中的流速通常只有1～2cm/s。Kantha的模型得到的結果表明，月潮每個世紀造成地—月引力能3.17TW的耗散，從而導致地球的自轉速率每個世紀大概降低2.4m/s，同時月球的軌道每個世紀大約增大3.7m。Munk（1997）用幾種不同的方法進行月潮耗散速率估計，得到的值都大約為3.17TW，這是20世紀的偉大科學發現之一。Kantha和Tierney（1999）對這個結果進行了更新。

1.2.3　三維正壓模型

圖1.2.2源自Fu和Smith（1996），該圖將高分辨率的（平均1/5°）全球3D環流模型獲得的SSH變化的均方根（包括1992～1994年）與從T/P測高儀獲得的1992年10月至1994年10月的數據進行比較。該模型是在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的實驗設計中開發的并行海洋程序（POP）（Smith等，1992；Dukowicz和Smith，1994），它建立在GFDL模型（Bryan，1969）的基礎上，其在垂直方向有20個等級，格網點數目超過1100萬個，運行于巨大的并行計算機上（CM5），為ECMWF（歐洲中期天氣預報中心）1985～1995年間對風力和表面通量驅動進行的研究，它是最精確（與測高儀獲得的SSH數據相比）且分辨率最高的完全熱力學的全球海洋模型，對海洋進行不同年代的模擬，因此它代表著海洋數值模型的技術發展水平。圖1.2.2表明對SSH變化進行的模擬比對T/P得到的數據更真實，雖然其本身也比較弱，模型的能量水平低了一半多（25cm2對64cm2）。主要的西邊界流系統過早地逐漸消失，并不像預期的那樣延伸到流域中。然而，模型似乎能很好地模擬主要的洋流系統（Fu和Smith，1996），尤其是對年周期特征的模擬。圖1.2.3表示模型用T/P所得年度周期的幅值和相位。變化的空間模式是比較真實的，模型很好地對相位進行了再現，然而幅度則比較小。Stammer等（1996）將結果與Semtner和Chervin's（1992）的全球模型得到的結果對比后，得到了相似的結論，該全球模型所用的分辨率比POP模型運行所用的分辨率粗糙1.6倍。

因此，當前最先進的海洋模型開始變得很真實，與大約10年前相比取得了巨大進步，10年前的海洋模型甚至不能夠正確地重現海洋環流的空間特征。然而模型中洋流的殘差和微弱性質與不完善的物理和表面應力有關，認為分辨率仍然不夠將西邊界流和中尺度變化進行全范圍的處理。要使SSH變化模擬的模型更逼近真實觀測值，必不可少地要將分辨率增大至4倍（1/20°），同時需要更準確的物理和表面應力，這是21個世紀計算機面臨的巨大挑戰之一。