全球1公里分辨率海洋模拟：揭示多尺度动力学与气候影响的新纪元

本研究针对传统海洋环流模型(OGCM)在捕捉亚中尺度(submesoscale)过程和地形效应上的局限性，开发了全球首例水平分辨率达0.01°(1公里)的LICOM模型。通过突破高性能计算技术瓶颈，该模型首次实现了对海洋亚中尺度涡旋、丝状结构及其与中尺度相互作用的精确模拟，显著提升了海洋动能谱(-2和-5/3斜率)的解析能力。研究成果发表于《The Innovation》，为构建"数字孪生海洋"和气候多圈层相互作用研究提供了关键技术支撑。

　　

海洋模拟的"显微镜"时代
作为地球系统的关键组成部分，海洋通过其巨大的热容量、复杂的多尺度环流和碳存储能力深刻影响着全球气候。自1969年Kirk Bryan开发首个水平分辨率数百公里的海洋环流模型(OGCM)以来，科学家们始终追求更高分辨率的模拟能力。进入21世纪后，尽管10公里分辨率的"高分辨率"模型已能捕捉大部分中尺度(10-100公里)涡旋活动，但对亚中尺度(100米-10公里)过程的模拟仍存在显著缺陷。这些如发丝般纤细的海洋结构通过逆向能量串级作用，会显著改变中尺度涡旋的动力学特征，进而影响气候系统的能量平衡。

崂山实验室联合中国科学院大气物理研究所等机构的研究团队，在《The Innovation》发表了全球首例1公里分辨率海洋模拟成果。这项研究采用LICOM模型的最新版本——该模型曾入围2024年ACM戈登·贝尔气候建模奖——通过创新性地解决异构超级计算机的性能移植难题，在"神威"和"欧若拉"超算系统上实现了年模拟速度超过1 SYPD(模拟年/天)的突破性进展。

关键技术方法
研究团队基于GLORYS12再分析数据初始化，在水平分辨率0.01°(极地最小0.27公里，赤道最大1.15公里)的全球网格上运行LICOM模型。通过开发异构架构并行通信技术、定制加速方案和高效I/O系统，解决了超大规模计算存储需求。模型验证采用动能谱分析和罗斯比数(Ro)量化方法，重点对比了10公里、2公里和1公里分辨率下对黑潮延伸体、吕宋海峡等关键海域的模拟差异。

亚中尺度过程的爆发式呈现

1公里分辨率模型最显著的优势是能捕捉传统模型无法解析的亚中尺度特征。在黑潮延伸体区域，模拟显示出沿弯曲急流的亚中尺度扰动(图1B)，其表面罗斯比数(Ro=相对涡度/科里奥利参数)呈现典型的日冕结构(图1C)。与10公里和2公里模拟相比(图1D)，1公里分辨率下动能谱明确显示出表征表面准地转动力学(-2斜率)和非地转平流(-5/3斜率)的特征谱线(图1E)，证实了亚中尺度过程对能量串级的关键影响。

地形效应的革命性刻画
在拥有复杂岛链和水下脊的吕宋海峡区域(图1F)，1公里模型首次再现了狭窄的弯曲急流(图1G)、亚中尺度丝状结构(图1H)和地形尾流中的涡旋群(图1I)。这些结构在10公里模型中完全缺失(图1J)，说明传统"涡旋丰富"模型对地形-流动相互作用的描述存在根本性局限。更精细的底形表达使模型能捕捉到次千米级的温度锋面和涡旋动力学细节，为海洋混合过程研究提供了新视角。

海洋气候建模的新范式
这项研究标志着海洋模拟正式进入"亚中尺度解析"时代。全球1公里OGCM不仅能减少参数化方案的不确定性，更重要的是揭示了多尺度相互作用的本质特征——亚中尺度过程通过增强上层海洋垂向热输送，可能显著改变气候模型的热力平衡预测。未来通过与大气模型的耦合，该技术将推动对碳循环等多圈层相互作用的理解，为"蓝色经济"可持续发展提供科学支撑。正如作者指出，这种"数字孪生海洋"产生的超分辨率数据集，将帮助管理者更智能地调控海洋资源，应对极端气候事件。