基于EnOI的多尺度同化系统在全球变网格海洋环流模型中的应用与性能优化

针对变网格全球海洋模型中多尺度信息同化的难题，中国科学院研究人员开发了基于集合最优插值(EnOI)的多尺度数据同化(MS-DA)系统。该系统通过多网格插值模块和两步同化流程，将高分辨率MPI-OM模型与集合卡尔曼滤波(EAKF)技术结合，在南海区域实现SST和SSS同化误差降低0.01°C/PSU，计算效率提升20%，为高分辨率区域海洋模拟提供了高效解决方案。

　　

随着海洋观测技术的飞速发展，现代海洋学研究正面临一个有趣的矛盾：我们既能通过卫星遥感和自主潜器获取厘米级分辨率的局部数据，又需要将这些"显微镜"下的发现整合到全球尺度的"望远镜"视野中。这种多尺度特性使得传统单尺度数据同化(SS-DA)方法捉襟见肘——就像用渔网捕捞浮游生物，要么漏掉细节，要么计算成本不堪重负。特别是在南海等关键海域，复杂的环流系统要求模型能同时解析涡旋尺度的动力过程和洋盆尺度的物质输运。

针对这一挑战，中国科学院的研究团队在《Ocean Modelling》发表研究，基于MPI-OM变网格海洋模型开发了创新的多尺度数据同化(MS-DA)系统。该系统通过两步同化策略和并行计算架构，成功实现了高分辨率区域与全球尺度的高效信息传递。研究显示，新系统在保持全球海表温度(SST)和盐度(SSS)同化精度的同时，将南海上层500米温盐同化精度分别提升1.7%和6.2%，计算耗时反而降低20%，为变网格模型的业务化应用扫清了技术障碍。

关键技术方法包括：1) 基于集合最优插值(EnOI)构建背景误差协方差矩阵；2) 多网格插值模块实现不同分辨率网格间的双向转换；3) 集合卡尔曼滤波(EAKF)同化框架整合卫星SST/SSS和Argo剖面数据；4) 采用EN4数据集进行验证。实验数据来源于2015-2020年南海区域的卫星遥感和现场观测。

【Models】
研究采用MPI-OM全球海洋-海冰耦合模型，其正交曲线网格在南海区域分辨率达10公里。通过调整网格极点位置实现区域加密，相比传统均匀网格节省35%计算资源。基于该模型建立的SS-DA系统作为基准参照。

【The MS-DA system establishment】
新建的MS-DA系统核心是"降尺度-升尺度"两步同化：先将高分辨率模型输出插值至粗网格进行全局调整，再将分析场反插回细网格完成局部优化。多网格插值模块采用双线性守恒算法，确保水团特性不失真。测试表明该模块数据传输耗时仅占同化周期的8%。

【Experimental results analysis】
与SS-DA相比，MS-DA在南海表现出显著优势：SST和SSS的平均绝对误差(MAE)分别降低0.01°C和0.01 PSU；150米以浅层温度同化改进2.3%，盐度改进7.8%。值得注意的是，该系统对中尺度涡旋的捕捉能力提升19%，且未出现传统方法常见的"过度平滑"现象。

【Discussions and conclusions】
这项研究突破了变网格模型同化的技术瓶颈：1) 创新的两步同化策略有效协调了不同尺度信息的冲突；2) 并行架构使多网格交互效率提升3倍；3) 南海案例证实了区域加密网格的科学价值。未来可扩展至北极等关键海域，并为新一代"智能网格"海洋预报系统提供技术范式。正如通讯作者Xueen Chen指出："这套系统就像给海洋模型装上了变焦镜头，既能看清浪花，又能捕捉洋流"。

该成果获得国家自然科学基金(U23A2032)和国家重点研发计划(2022YFC3104803)支持，计算资源由青岛海洋科学与技术试点国家实验室高性能计算中心提供。数据可通过EN4数据集公开获取，为国际海洋同化研究提供了重要基准。