The Innovation | 首例平均分辨率突破1公里的全球海洋模式，有望全面揭示多尺度海洋过程及其气候效应

虽然海洋的中尺度-亚中尺度过程对于地球气候系统三维热量再分配影响显著，但是不能被当前使用的气候海洋模式完全解析，由此造成的不确定性是导致气候预测和预估偏差的关键因素。公里级海洋模式的气候尺度模拟，将基本解析全球海洋的中尺度-亚中尺度过程，深化海洋多尺度过程及其气候效应的机理研究，这是LICOM研究团队多年来追求的目标。

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国产自主海洋模式LICOM取得重要突破：研究团队在国产超算上成功构建了全球首例平均水平分辨率突破1公里的全球海洋环流模式，并完成了具备科学价值的真实海洋模拟试验。初步结果表明，该模式在表达海洋中尺度-亚中尺度过程以及刻画复杂海陆地形对于海流的效应方面相较于低分辨率版本实现了质的飞跃，展现出在捕捉强烈且快速变化的海洋过程方面具有巨大潜力。通过长期数值模拟，该模式将有望深入揭示高度复杂的多尺度海洋过程的机理，增强海洋环境预报和气候预测预估能力，为在全球变暖背景下极端事件频发的情境制定适应策略提供科学支撑。

图1 全球1公里海洋模式LICOM对2016年1月19日的模拟结果。(A) 海表面动能。(B)黑潮及其延伸区。(C) 黑潮延伸区黑框指定中尺度涡的海表面罗斯贝数和上层海洋温度（侧面）。

作为地球系统的重要组成部分，海洋凭借其巨大的热容量、丰富的碳储库以及复杂的多尺度环流体系，对气候系统产生深远影响。海洋环流模式（Ocean General Circulation Model，以下简称海洋模式）通过数值求解海洋流体动力学与热力学控制方程，能够模拟海洋环流和物理状态，进而实现对海洋环境的预测以及对气候变化的预估。最早的海洋模式由Kirk Bryan于1969年提出，其水平分辨率仅为数百公里。进入21世纪以来，数值方法的演进、高性能计算能力的提升以及物理海洋学理论的发展，共同推动了海洋模式的快速演进，使其在动力框架构建、物理过程参数化、多种相关过程的引入以及与高性能计算的融合方面日趋复杂。海洋模式的开发已呈现出显著的多学科交叉融合特征。

水平分辨率是衡量海洋模式发展水平的关键指标，追求更精细的分辨率贯穿了整个海洋模式的发展历史。传统上，对于需要长期积分的全球气候模拟而言，当海洋模式的水平分辨率达到10公里（0.1°）时，通常被认为已达到“高分辨率”标准。采用高分辨率的主要目的是捕捉空间尺度在数十到数百公里之间的海洋中尺度过程。这类过程蕴含了海洋中绝大部分动能，在海洋内部动力学、海气相互作用以及物质输运中发挥着关键作用，对地球气候变率产生重要影响。由于高分辨率模式能够解析低纬及中纬开阔大洋中的大量中尺度涡旋，因此也常被称为“富涡”（eddy-rich）模式。

然而，空间尺度介于数百米至数十公里之间的海洋亚中尺度过程，常与中尺度过程发生强烈的相互作用。要全面刻画中尺度动力学，海洋模式必须具备解析亚中尺度对中尺度反馈的能力，这对富涡模式而言仍是巨大挑战。近年来，高性能计算技术的持续突破，使得公里级分辨率的全球海洋模式成为可能。为区别于传统“高分辨率”模式，本文将水平分辨率小于5公里的全球海洋模式定义为“超高分辨率”模式。一方面，该分辨率覆盖了海洋中尺度动力学的全范围；另一方面，亦可解析相当一部分亚中尺度现象。这些现象通过能量逆向串级机制与中尺度过程产生紧密耦合，进而对气候系统产生显著影响。因此，超高分辨率模式为深入理解局地海洋过程（如涡旋、锋面与内波等）及其多尺度耦合机制提供了重要工具。这些认识有助于优化富涡模式配置，提升气候预测和海洋环境预报的精度，尤其是在模拟高影响、低概率的极端事件方面具有重要价值。

本研究基于国产自主研发的全球海洋模式 LICOM，在国产超级计算平台上构建并实现了水平分辨率为 0.01° 的超高分辨率版本。其最小网格间距达 0.27 公里，赤道附近最大网格间距为1.15公里，中纬度地区典型网格间距为约0.8公里，故本文简称其为“全球1公里分辨率”模式。在此之前，已产生科学成果的全球海洋模式最高分辨率为1.25公里。因此，本研究填补了全球海洋模式在公里级分辨率领域的最后空白，是国际上首个实现全球平均分辨率突破1公里、并具备科学应用价值的短期模拟实验。同时，该研究也成功入围了2024年戈登贝尔气候建模奖的最终决赛名单。

图2 黑潮延伸区在10公里（左）、2公里（中）和1公里（右）水平分辨率下模拟的海表面动能。

全球1公里分辨率爆炸式增强对于亚中尺度的模拟能力

全球1公里分辨率海洋模式成功捕捉到了广泛分布于蜿蜒急流沿线、中尺度涡旋边缘以及多个中尺度结构之间的亚中尺度扰动（图1）。海表面罗斯贝数被用于量化亚中尺度信号的丰富程度。以黑潮延伸区的某一中尺度涡为例，该模式模拟出了结构清晰、形态复杂的花冠状细节（图1）。涡旋周边区域呈现出高罗斯贝数特征，伴随着上层海洋中显著增强的垂向热输送，揭示出亚中尺度过程在能量和物质输运中的关键作用。与10公里和2公里分辨率模拟结果相比（图2），1公里模拟在解析亚中尺度特征方面实现了质的飞跃，尤其在强流区表现出清晰的辫状结构，显示出更高的空间复杂性与动力学活跃性。进一步的表面动能谱分析（图3）显示，该模式在有无非地转平流过程下均能够再现海洋表面准地转动力学所对应的谱斜率特征，即-2或-5/3的谱形，验证了其在刻画多尺度能量串级过程中的物理合理性和高分辨率优势。

图3 黑潮延伸区的表面动能谱

全球1公里分辨率能够有效捕捉复杂地形对流动的效应

超高分辨率海洋模式在表示海底地形与海岸线方面具备显著优势。以吕宋海峡为例，该区域分布着众多岛屿和复杂的海底地形，显著扰动局地环流并增强流动的非线性特征。全球1公里模式通过更精细的网格划分与真实地形的高度还原，成功揭示了吕宋海峡区域丰富的亚中尺度活动（图4），包括狭窄蜿蜒的急流、清晰的亚中尺度纤维状结构，以及地形尾流中活跃的亚中尺度涡旋等动力现象。更高精度的地形刻画与超高分辨率网格的协同作用，使得全球1公里模式在流动细节与真实感的表现上，远超传统10公里富涡模式（图4D与图4E对比）。

图4 （A）吕宋海峡区域的海底地形。（B-D）1公里分辨率模拟的海表面动能、温度和罗斯贝数。（E）10公里分辨率模拟的海表面罗斯贝数。

总结与展望

首例平均水平分辨率突破1公里的全球海洋模式在刻画海洋的中小尺度过程方面产生了质的飞跃，有望通过长期模拟加深对于高度复杂的海洋多尺度过程和地球气候系统的理解，提升海洋环境业务预报和气候预测预估的能力。未来不仅可以通过与地球系统模式的其它模块进行耦合，促进对地球多圈层相互作用的全面理解；还可以用于生成精细化海洋模拟数据，为海洋数字孪生和数据驱动系统的发展提供关键支撑。这些应用将在未来协助决策者高效而智能地管理海洋。

责任编辑

郑赫然   伦敦大学学院

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666675825000463

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第6卷第7期以Commentary发表的“A 1-km resolution global ocean simulation promises to unveil oceanic multi-scale dynamics and climate impacts” (投稿: 2024-11-09；接收: 2025-02-19；在线刊出: 2025-02-20)。

DOI:10.1016/j.xinn.2025.100843

引用格式：Xie J., Yu J., Zhou Y., et al. (2025). A 1-km resolution global ocean simulation promises to unveil oceanic multi-scale dynamics and climate impacts.The Innovation6:100843.

作者简介

刘海龙，崂山实验室研究员，博士生导师。主持发展了自主海洋模式LICOM的3个版本、我国首个自主海洋短期预报系统LFS（LICOM Forecast System），以及“十二五” 重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”海洋模式。研究方向：海洋环流模式的发展、研究和应用。发表SCI文章100余篇，SCI引用5000余次，软件著作权10余项，主持国家重点研发计项目、国家自然科学基金重点项目等。

https://www.researchgate.net/profile/Hailong_Liu3

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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球59个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区TOP)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。2023年6月25-28日，四本姊妹刊(The Innovation Life、The Innovation Geoscience、The Innovation Materials、The Innovation Medicine)联袂创刊；2024年2月26日，第五本姊妹刊The Innovation Energy出版创刊号。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation刊群在海内外各平台推广作者文章。

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