随着海上工程施工、远洋运输、海洋渔业等领
域对海洋动力环境预报信息的需求日益提升，近几十年来，各国的海洋预报研究取得了显著进展（王辉等，2016），涌现出了一批海洋业务化预报系
统，如基于混合坐标的海洋模式HYCOM （
HYbrid Coordinate Ocean Model
）建立的全球海洋实时预报系统（Chassignet et al ，2009；Metzger et al ，2014，2008）、美国海军实验室研制的全球海洋预报系统
马尔代夫海域水位、海流数值预报研究
李春辉1,2，施凌3，王强4，纪棋严5，刘宇2,5
（1.南京信息工程大学，江苏南京210044；2.南方海洋科学与工程广东省实验室（
珠海），广东珠海519000；3.中交水运规划设计院有限公司，北京100007；4.南京水利科学研究院，江苏南京210029；
5.浙江海洋大学，浙江舟山316022）
摘要：基于无结构有限体积法海洋模式（FVCOM
），建立了马尔代夫双重嵌套的水位、海流预报模式，并实现了业务化运行。利用三角网格提高重点区域（马尔代夫大桥及岛屿附近海域）的分辨率，最高网格分辨率达到45m 。垂向分层采用滓-s 混合坐标的方式划分，分为31层，分别在表层和底层进行加密。采用GFS 预报的风场、气压场和热通量结果制作模式表面强迫场文件。在开边界处与HYCOM 预报结果进行嵌套，在斜压条件下，采用热启动的方式，业务化模拟了马尔代夫海域2020年的水位流场过程。结果表明，模式能够较好地再现计算海域内天文潮和综合水位的预报，模式预报的水位值与潮位站实测值非常接近。
关键词：马尔代夫；数值预报；水位；海流；FVCOM 中图分类号：P731.3
文献标识码：A碳和碳的氧化物
文章编号：1001原6932（圆园21）02原园154原07
收稿日期：2020-09-27；修订日期：2020-12-26
基金项目：国家重点研发计划（2017YFC1404203；2017YFA0604103；2016YFC1401407）；江苏
省自然科学基金青年基金（BK20180803）作者简介：李春辉（1988—），博士，讲师，主要从事物理海洋学、海洋数值模拟方面研究。电子邮箱：*******************
通讯作者：刘宇，博士，副教授，主要从事区域海洋数值模拟研究。电子邮箱：****************
Rearch on numerical prediction of water level and current in Maldives
LI Chunhui 1,2,SHI Ling 3,WANG Qiang 1,4,JI Qiyan 5,LIU Yu 2,5
(1.Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing 210044,China;2.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai),Zhuhai 519000,China;3.CCCC Water Transportation Consultants Co.,Beijing 100007,China;4.Nanjing Hydraulic Rearch Institute袁Nanjing 210029,China;5.Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China冤
Abstract ：Bad on the Unstructured Grid,Finite-Volume Community Ocean Model (FVCOM),a nested water level and current forecast model in the Maldives was established and operationalized.The triangular grid was ud with high resolution of key areas (a area nearby the Maldives Bridge).The highest grid resolution reaches 45m.Vertically the model t 31layersby 滓-s mixed coordinates,which are encrypted at the surface and the bottom layers.Wind袁air pressure and heat flux
predicted by GFS are ud as the surface forcing.Nested with the HYCOM forecast results at the open boundary,this study us the hot start method under baroclinic conditions to operationally simulate the water level and flow process in the Maldi鄄vian waters in 2020.The results show that the model can reproduce the calculation of the astronomical tide and the compre鄄hensive water level forecast in the study area.The water level predicted by the model are very clo to the measured values at
the Male station.
Keywords ：Maldives;numerical forecast;water level;ocean current;FVCOM
Doi ：10.11840/j.issn.1001-6392.2021.02.004
海
洋通报
MARINE SCIENCE BULLETIN
Vol.40袁No.2
Apr.2021
第40卷第2期圆园21年4月
2期
GOFS（Global Ocean Forecast System）等（朱亚平等，2015；徐洋等，2016）。这些预报模式多是针对全球范围的业务化预报，水平网格分辨率相对较低，预报结果不能满足如海上工程施工等需要局地化精细预报的需求，往往需要单独建立模型以提高预报的精度。目前，已有一些局部海域的预报系统建设的报道（李远芳，2011；綦梦楠，2014；曾银东，2017）。
为保障马尔代夫跨海大桥施工的顺利进行，本文针对马尔代夫海域岛屿众多，地形复杂的特点，基于FVCOM（Finite Volume Coastal Ocean Model）模型，建立了一套双重嵌套的水位、海流业务化预报系统，以为其提供精细化的水动力预报数据。1模型简介
预报采用FVCOM模型，该模型是由UMASSD-WHOI共同开发的采用非结构网格、有限体积法的三维海洋环流模型，可以用于计算水动力、波浪、泥沙输运、海冰、生态演变等研究（Chen et al，2003），近年来已被成功应用于多个海区的海洋动力环境模拟（王彪等，2019；陶英佳等，2016；禇飞等，2014；单慧洁等，2014；郭玉臣等，2012；宋德海等，2012；葛建忠，2007）。该模型采
用有限体积法求解，结合了有限差分法和有限元法的优点，所采用的非结构网格既能较好的贴合岸线，又能局部加密，可以更好地刻画近岸复杂地形下的海水运动，特别适合马尔代夫这种岛屿众多，地形复杂海域的水动力数值模拟。
1.1基本方程
直角坐标系下的原始方程由连续性方程、动量方程、温盐扩散方程和密度方程组成：
坠u坠x+坠v坠y+坠w坠z=0（1）坠u坠t+坠u2坠x+坠uv坠y+坠uw坠z-fv=
-1籽0坠（p H+p a）
坠x-1籽0坠q坠x+坠坠z K m
坠u坠z
蓸蔀+F u（2）
rider
坠v坠t+坠uv坠x+坠v2坠y+坠vw坠z+fu=
-1籽0坠（p H+p a）
坠y-1籽0坠q坠y+坠坠z K m
坠v坠z
蓸蔀+F v（3）
坠w坠t+坠uw坠x+坠vw坠y+坠w2坠z
-1籽
坠q坠z+坠坠z K m坠w坠z
蓸蔀+F w（4）
坠T坠t+u坠T坠x+v坠T坠y+w坠T坠z=坠坠z K h坠T坠z蓸蔀+F T（5）
坠S坠t+u坠S坠x+v坠S坠y+w坠S坠z=坠坠z K h坠S坠z蓸蔀+F S（6）
籽=籽（T，杂，p）（7）
式中，t为时间；u，v，w分别为x，y，z方向的
流速分量；p a为海表面气压，p H为静水压力，q为
非静水压力；f为柯氏参量（f=2棕sin渍，棕是地球
自转的角速度，渍是当地的纬度），g为重力加速
度；T为温度，S为盐度，籽为密度；K m是垂向涡
粘系数，K h为垂向温盐扩散系数，由MY-2.5湍流
模式计算得到；F u，F v，F T，F S代表水平动量扩散
项及水平温盐扩散项。
1.2边界条件
（1）自由表面边界条件（海表面处r=0处）
运动学边界条件为：
棕=园（8）
动力学边界条件为：
坠u坠r，坠v坠r
蓸蔀=J籽0K m（子sx，子sy）（9）
式中，（子sx，子sy）为x，y方向的表面风应力。
温盐边界条件为：
坠T坠r=1
籽c p K h［Q n（x，y，t）原杂宰（x，y，园，t）］（10）
坠S坠r=0（11）
式中，Q n（x，y，t）为表面热通量，包括四部分：短波planned
辐射、长波辐射、感热通量和潜热通量，杂宰（x，y，
园，t）为海表面入射短波通量，c p为海水的比热。
（2）海底边界条件（在海底r=-1处）
运动学边界条件为：
棕=园（12）
深圳英孚英语培训动力学边界条件为：
坠u坠r，坠v坠r
蓸蔀=J籽0K m（子bx，子by）（13）
式中，（子bx，子by）=C d u2+v2
姨（u，v）为x，y方向
的底部切应力，C d为阻力系数，C d=max[资2/ln
（扎a b/z0）2，0.0025]，资=0.4是卡门常数，k s为底部
糙率参数，z b为参考高度。
温盐边界条件为：
坠T坠r=-A h tan琢
运h/J+A h tan琢坠r坠n
坠T坠n（14）李春辉等：马尔代夫海域水位、海流数值预报研究155
海洋通报40卷
坠S 坠r =-A h tan 琢运h /J +A h tan 琢
坠r 坠n
坠S 坠n （15）
式中，琢为底部坡度，n 为水平坐标。
（3
）闭边界条件v n =0，坠T 坠n =0，坠S 坠n
=0（16
）式中，v n 为边界法向速度分量，n 为侧向固壁边界的法线方向。
2模型设置及可靠性检验
为评估所采用的数值模式（FVCOM ）以及相
关设置（网格剖分、地形刻画以及数值模式相关参
数设置
）在研究海域的适用性，采用FVCOM 模式建立研究海域数学模型进行后报，对2015年1—4月（已获取到部分时段实测水位、海流资料）该海域的水位、海流进行模拟，以验证所建立模型的可靠性。
2.1后报模型设置
利用SMS （Surface Water Model System ）软件生成三角形网格，在岛屿附近和近岸地形复杂处进行重点加密，采用大小模型嵌套的方式进行模式预报，网格剖分如图1所示，水深分布如图2所示，图1和图2中左右两边分别为大范围模型和小范围
模型的网格剖分和水下地形分布。大范围模型网格数为158845，节点数为80697，模型范围为70毅30忆E —76毅E ，2毅S —8毅N ，模式控制开边界分为北边界、东边界、西边界和南边界，最高水平网格分辨率为100m 。小范围模型网格数为89527，节点数为46669，模式控制开边界分为北边界、东边界、西边界和南边界，最高水平网格分辨率为45m 。两个模型垂向分层一致，均采用滓-S 混合坐标分层，共分为31层，200m 为滓坐标与S 坐标分界处水深，在水深小于200m 的海域采用滓坐标系，水深大于200m 的海域采用S 坐标系，海洋表面厚度50m 的上边界层等分为10层，每层厚度为5m ，海洋底部厚度30m 的下边界层等分为6层，每层厚度为5m ，其余各层则采用随深度变化坐标函数分层。岸边界采用干湿网格点判断法，最小水深为0.05m ，计算过程中水深小于0.05m 的节点将不参
与计算。底摩擦系数、水平和垂向混合参数采用FVCOM 模式默认方案。采用内外模态交替算法，水位和垂向平均速度由外模计算，垂向每层的速度由内模计算，大范围模型外模时间步长为1s ，内模时间步长为10s ，小范围模型外模时间步长为0.4s ，内模时间步长为2.4s ，计算时间段为2015年1月1日0时至2015年4月10日0时。后报模型开边界及强迫所用数据来源见表1。
图1网格剖分图
8毅
6毅
4毅
2毅
-2毅
4.8毅
4.6毅
4.4毅
4.2毅
4.0毅
3.8毅
72毅
74毅
76毅73.2毅
73.4毅
73.4毅
73.8毅
74毅
wave flag74.2毅N
E
N E
156如梦令翻译
2期
输入物理量数据来源
开边界水位大范围模型：天文潮推算水位
（TPXO9）+HYCOM 海表面高度模拟结果小范围模型：采用大范围模拟结果进行嵌套
开边界流速大范围模型：天文潮推算潮流
（TPXO9）+HYCOM 海流模拟结果小范围模型：采用大范围模拟结果进行嵌套开边界温度、
盐度大范围模型：HYCOM 温度、盐度模拟结果
小范围模型：采用大范围模拟结果进行嵌套风场、气压场、海表面热辐射通量、
降水和蒸发CFSV2再分析资料（美国国家环境预报中心，NCEP ）
温度、盐度初始场HYCOM 温度、
盐度模拟结果水位、海流初始场
冷启动，
均设为0表1
后报模型输入文件数据来源
0-20-50-100-200-400-600-800-1000-1200-1400-1600-1800-2000-2200-2400-2600
水深/m
后报模式所用相关数据来源如下：
（1）TPXO9数据
TPXO （TOPEX/POSEIDON global tide model ）模式是由美国俄勒冈州立大学（Oregon State Uni原versity ，OSU ）建立的潮汐模式。目前最新版本为TPXO9-atlas v1，该版本融合了区域潮汐模式的结
果，包含8个主要分潮（
M 2，S 2，N 2，K 2，K 1，O 1，P 1和Q 1）、两个较长周期分潮（Mf ，Mm ）和3个浅水分潮（M 4，MS 4和MN 4）的潮位、潮流通量
（潮流）信息，TPXO9中特别加入了2N 2和S 1两个分潮（下载网址：www.tpxo/global ）。（2
）HYCOM 数据HYCOM （HYbrid Coordinate Ocean Model
）是由美国国家海洋计划（National Ocean Partnership
Program ，NOPP ）赞助开发的一个全球海洋模式，HYCOM 提供再分析的后报以及预报全球海洋数据，空间分辨率为1/12毅，包含海表面高度、垂向分为40层的海水温度、盐度以及海流数据。（下
载网址：www.hycom ）。
（3）CFSv2数据
CFSv2是由美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction ，NCEP ）开发的CFS （The Climate Forecast System ）的第二代预报系统得到的数据产品，提供陆地、海洋、大气的数值产品（下载网址：rda.ucar.edu/）。
2.2模型验证
用于验证的2个水位测站，分别为马累站和机
上海凯育法语
场站，测量时段：马累站为2015年4月5日0时
李春辉等：马尔代夫海域水位、海流数值预报研究
8毅
6毅
4毅
electronic是什么意思
2毅
-2毅
N
图2
水深地形图
73.4毅
73.4毅
73.8毅
74毅
74.2毅cir
E
72毅157
海洋通报
40卷
73.46毅73.48毅73.5毅73.54毅73.56毅74.52毅4.24毅4.22毅4.20毅4.18毅4.16毅4.14毅4.12毅
机场站马累站
酝ale
CD1
图4
马累站（左）、机场站（
右）水位验证图图5
CD1测站表层流速（
左）、流向（右）验证图图6
CD2测站表层流速（左）、流向（
提出建议右）验证图10.50-0.5
计算值观测值
时刻
10.50-0.5
时刻
10.50
计算值观测值
计算值观测值500
4003002001000
员.缘1
0.50计算值观测值
计算值观测值
5004003002001000
计算值观测值
至2015年4月7日0时，机场站为2015年4月5日0时至2015年4月6日14时，均为每10min 测量一次；2个流速测站，分别为CD1测站和CD2测站（位于Gaadhoo Koa 海峡），测量时段均为
2015年4月5日0时至2015年4月6日13时，每30min 测量一次，测站位置分布见图3。验证结果见图4—图6，由图可以看出，所建立的模型能够很好地模拟出研究海域中重点关注区域（马尔
代夫大桥及岛屿附近海域
）的水位和海流的变化，可以利用所建模型进行该海域的水位和海流的预报
工作。
2.3预报模型设置
预报模型水平、垂向网格剖分以及模型参数设
置等均与前文所描述的模型设置相同，根据马尔代夫跨海大桥施工预报需求，确定预报时效为4天，预报起始时间为前一天21颐00，结束时刻为4天后00颐00。大、小范围模型在计算过程中每隔1天均输出一个热启动文件，供下一天预报模型启动时作为初始场使用，以保证模型计算区域内各物理量的
连续性及稳定性，减少模型spin-up 时间，提高预报结果的精度。预报要素包括：水位、流速、流向、温度和盐度，时间分辨率为1h ，除水位外，其他几个要素均为垂向分层结果，为31层。预报模型输入文件设置及数据来源见表2。目前已进行2020年2月15日至2020年9月9日（截至投稿日，该预报模式仍在业务化运行）的每天预报。
预报所采用的GFS 数据下载自美国国家环境
E
N CD2
水位测站海流测站
图3测站位置分布图
时刻
时刻
时刻
时刻
158
