Agulhas海流系统中OpenMetBuoy-v2021漂流器轨迹与拉格朗日模拟的敏感性分析：海洋模型与风浪参数化的影响

本研究针对海洋表面拉格朗日轨迹模拟的精度问题，通过对比OpenMetBuoy-v2021漂流器实测数据与OpenDrift/Parcels模拟结果，评估了HYCOM、Mercator和Globcurrent三种欧拉海洋流场产品及风浪参数化（WDF和Stokes漂移）的敏感性。发现Globcurrent产品模拟精度最高（但高流速下低估），而风浪强迫组合（WDF 1.8%-2.3%）可提升模拟性能，尤其在强风（>10 m/s）和大Stokes漂移（>0.15 m/s）条件下。该研究为海洋污染物输运、搜救等应用提供了模型优化依据。

　　

研究背景与科学问题
海洋表面物质的输运预测（如石油泄漏、塑料垃圾或搜救目标）高度依赖拉格朗日轨迹模拟的准确性。然而，当前欧拉海洋模型（如HYCOM、Mercator）对表层过程的解析不足，尤其是风致剪切应力、波浪-流相互作用等关键动力学过程。Agulhas海流系统作为全球最强的西边界流之一，其强流速（>2 m/s）、复杂涡旋结构及多尺度相互作用，使得传统模拟方法面临严峻挑战。挪威气象研究所等机构的研究团队利用新型开源漂流器OpenMetBuoy-v2021（OMB）的实测数据，首次系统评估了不同海洋流场产品与风浪参数化在该区域的敏感性，为优化轨迹模拟提供了实证依据。

技术方法
研究基于One Ocean Expedition航次在Agulhas海流系统部署的6个OMB漂流器（2023年1-3月），采用OpenDrift和Parcels拉格朗日模型，对比了HYCOM、Mercator（总流场/NS分量）和Globcurrent三种海洋流场产品，并测试了风拖曳因子（WDF, 0%-5%）和ECMWF波浪模型Stokes漂移的贡献。通过707段24小时模拟（每12小时初始化），使用平均累积分离距离（MCSD）、Liu-Weisberg技能评分（LWS）和Willmott技能评分（WMS）量化性能差异。

研究结果

1. 拉格朗日模型性能
OpenDrift与Parcels在相同时间步长和线性插值方案下表现一致（速度相关系数R=1），表明模型差异主要源于功能设计（如插值选项），而非核心算法。

2. 海洋流场产品对比
Globcurrent虽空间分辨率较低（1/4°），但凭借卫星高度计与Ekman模型融合，展现出最高技能（LWS=0.39 vs. Mercator NS 0.33/HYCOM 0.23），但其对强流（>1.8 m/s）的平滑效应导致速度低估。Mercator NS在保留强流特征（模拟流速达2.2 m/s）方面优于HYCOM（R=0.74 vs. 0.50），凸显高分辨率模型在窄流区（如Agulhas核心流）的优势。

3. 风浪强迫的协同效应
组合风（WDF=1.8%）与Stokes漂移可使模拟技能提升23%（LWS），其中Stokes漂移贡献占比约29%。极端条件下：

• 强流（>1.25 m/s）：海洋流场主导，风浪改进有限（LWS +11%）；
• 强风（>10 m/s）/大Stokes漂移（>0.15 m/s）：风浪参数化显著提升技能（LWS +58%），且最优WDF降至1.1%-1.5%，反映波浪作用增强。

4. 漂流器特性影响
OMB因80%浸没的设计，其WDF（1.8%-2.3%）低于同类浮标（如iSphere的2.8%-4%），证实形状对风拖曳的调制作用。

结论与意义
该研究揭示了Agulhas海流系统拉格朗日模拟的三大关键：

1. 海洋流场精度是基础：Globcurrent的观测约束优于纯模型产品，但需结合高分辨率模型（如Mercator）以捕捉强流细节；
2. 风浪参数化需动态调整：WDF应随环境（强流/风/波）自适应，且Stokes漂移的独立引入可减少经验性误差；
3. 物理过程待深化：当前WDF仍隐含补偿未解析的剪切流等过程，未来需发展基于动量守恒的耦合方案（如Coriolis-Stokes力）。

成果发表于《Applied Ocean Research》，为全球漂流预测模型在复杂流区的优化提供了范式，尤其对南半球强流区的生态连通性、灾害响应等应用具有直接指导价值。