大洋环流和海气相互作用的数值模拟 全球海气耦合模式课题组 （LASG/IAP）

大洋的划分 (Levitus, 1982) Tropical Pacific

Observation and Prediction of 1997/98 ENSO (ECMWF, Stockdale et al., 1998) Prediction May 97 Observation May 97 Initialization in December 1996 Prediction for May 1997: Pacific SSTA

LASG全球海洋-大气-陆面（GOALS）耦合模式 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 Atmosphere Ocean .008916 2 Land .074074 .188615 .336077 .500000 .663923 .811385 .925926 .991084 500 680 900 25 75 125 180 255 360 1160 1455 1775 2115 2475 2850 3235 3625 4015 4405 4800 Sea Ice Sun 水分 动量 热量 LASG全球海洋-大气-陆面（GOALS）耦合模式

El Niño 和 ENSO 是大洋环流和海气相互作用的一个典型问题。 全球变暖是海气相互作用的另一个典型问题，和大洋环流的变化密切有关。

LASG : Laboratory of Numerical Modelling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics

LASG/IAP Climate system Ocean Model LICOM： LASG/IAP Climate system Ocean Model http://web.lasg.ac.cn/FGCM/index.htm

LASG 全球海洋模式和耦合模式 OGCM 分辨率 CGCM 4×5 1.9×1.9 0.5×0.5 4 层模式 “2+4” (张学洪等, 1989) 20层模式 (陈克明, 1994) L30T63 (金向泽等, 1999) LICOM (刘海龙等, 2004) 分辨率 4×5 1.9×1.9 0.5×0.5 CGCM “2+4” (张学洪等, 1992) GOALS (吴国雄等, 1997) FGCM-0 (俞永强等, 2002) FGCM-1 (俞永强等, 2005)

课程设计思路 解释大洋环流和海气相互作用的基本概念和理论. 介绍模式设计的初步知识. 分析气候模拟的典型问题.

观测, 模式, 理论的关系 (From Stewart, 2004)

本课程分为 12 讲： 1. 热带太平洋SST, 赤道流系, 温跃层和海表高度 张学洪 2. 风生环流的Sverdrup理论 张学洪 温跃层和海表高度 张学洪 2. 风生环流的Sverdrup理论 张学洪 3. 风应力, 热通量, 淡水通量 张学洪 4. 大洋环流模式设计初步 张学洪 5. 海洋模式中的参数化过程 刘海龙 6. 云对海气相互作用的影响 周天军

7. ENSO的数值模拟 俞永强 8. 印度尼西亚贯穿流的模拟 李 薇 9. 中高纬度海气相互作用 周天军 10. 大洋热盐环流 周天军 11. 海冰的数值模拟 刘喜迎 12. 全球变暖的模拟 俞永强

本课程要求的基础知识： 动力气象或物理海洋 偏微分方程数值解

第一讲 热带太平洋 SST 赤道流系 温跃层和海表高度 张学洪 (zxh@lasg.iap.ac.cn)

热带太平洋 SST

> 28ºC < 24ºC

EWP ECT

‘SST’的控制方程和边界条件

海表热平衡方程 海表热通量加热 ≈ 海洋内部动力冷却

Annual mean SST, Q (Wm-2) and DTC (m) averaged over 110-150W, 2S-2N (ECT) and 160-180E, 2S-2N (EWP) SST Q DTC ECT 25.8 85 94 EWP 28.8 36 163 DTC: Depth of ThermoCline, estimated based on 20C isotherm

小 结 在冷舌区，海洋环流所产生的冷却作用处于支配地位. 问题：为什么暖池区海温很高而净的海表热通量很小？ 小 结 SST 平均态是海表热通量的加热作用和海洋动力过程的冷却作用相互平衡的结果. 在冷舌区，海洋环流所产生的冷却作用处于支配地位. 问题：为什么暖池区海温很高而净的海表热通量很小？

‘现场’温度和位温 Profiles of in situ and potential temperature and density in the Mindanao Trench. (From Stewart, 2001).

海洋的平均经圈环流

纬圈积分的经圈翻转流函数

海洋模式模拟的经圈流函数 NADW AABW

Equatorial current system in the Pacific Ocean 太平洋赤道流系 Equatorial current system in the Pacific Ocean

NEC NECC SEC

Equarorial Current System SEC: South Equatorial Current NEC: North Equatorial Current NECC: North Equatorial Counter Current EUC: Equatorial UnderCurrent

NCEP ODAS 给出的热带太平洋年平均表层流 NEC NECC U p w e l l i n g SEC

NCEP ODAS (Ocean Data Assimilation System) Ji et al. (1995) Behringer et al. (1998)

SEC NECC NEC EUC

东太平洋 EUC 输送量的估计 500103m 200m 0.5ms-1 = 50 106 m3s-1 =50 Sv (Sverdrup)   Obs: 30-40 Sv (T&G, 2001)

小 结 太平洋赤道流系包括: SEC, NEC, NECC, EUC, SECC 等. 赤道“upwelling”是和SEC有关的.

热带温跃层 Tropical Thermocline

热带温跃层的例子 (5°S)

Tropical thermocline In the tropics, winter cooling is not strong enough to destroy the seasonal thermocline, and a shallow feature sometimes called the tropical thermocline is maintained throughout the year (T&G, 2001).

热带太平洋温跃层和赤道流系

20ºC

沿赤道断面的温度和洋流

小 结 Permanent, Seasonal, and Tropical thermocline ; 问题: 温跃层, 海表高度和海流的关系？

温跃层和海表高度的关系、地转流

τx h H 90-170W平均的纬向风应力、海表高度、海温和洋流的东西向速度分量，可以看到： NEC、NECC、SEC、EUC；流速随深度减小； 赤道外海表高度的起伏和赤道流系满足地转凤关系； 由20C等温线深度表征的热带温跃层（中心）所在位置；它的槽、脊对应着上升流和下沉流； 与流速随深度减小相配合，温跃层坡度和海表高度坡度相反； 纬向风应力也是随纬度变化的，在NECC中心附近，东风应力出现极小值（或风应力的极大值）（待解释！） 红色方框所在范围可看作1.5层模型的一个比较典型的观测背景。 已经利用1.5层模型解释了温跃层层坡度和海表高度坡度的‘映像’关系。

1.5-layer model

11/2 layer model

09/23/07 注1：原来的第一组公式中漏掉了常数g。 注2：这里的H应理解为z坐标下的数值（而不是温跃层的‘深度’），因此是负数。但在后面的地转输送和Rossby波公式中，H应理解为‘深度’，因此是正数。

海水状态方程，热膨胀系数

α=α(t, p) (10-4K-1) (Gill, 1982) 1bar = 105 Nm-2 =105 Pa

海表高度坡度仅为温跃层坡度的千分之三左右。 α=3×10-4K-1, T=10K 海表高度坡度仅为温跃层坡度的千分之三左右。

小结: 海表高度和温跃层的关系 热带海洋的温跃层坡度是海表高度坡度的100—300 倍, 两者方向相反. 在热带海洋, 海表高度可看作温跃层的压缩映像.

温跃层坡度和海表高度坡度之间的这种关系，本质上就是地转风关系和热成风关系.

11/2 layer model 中的地转输送

“一层半”模式中的地转流

和地转流相应的体积输送 Reduced gravity 注意：此后 H 代表深度(向下为正).