张学洪 (zxh@lasg.iap.ac.cn) 第四讲 大洋环流模式设计初步 张学洪 (zxh@lasg.iap.ac.cn)

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张学洪 (zxh@lasg.iap.ac.cn) 第四讲 大洋环流模式设计初步 张学洪 (zxh@lasg.iap.ac.cn)

Forcing => Exchange 水分 动量 热量 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 Forcing => Exchange 水分 动量 热量 LASG全球海洋-大气-陆面(GOALS)耦合模式

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

1 引言 2 模式原理 2.1 模式方程组和边界条件 2.2 数值方法 2.3 其他 程序设计 使用说明 附 录

引言: 模式设计过程 基本近似, 方程组和边界条件 海表高度预报方程, 表面重力波 C-F-L条件,计算稳定性 主 要 内 容 引言: 模式设计过程 基本近似, 方程组和边界条件 海表高度预报方程, 表面重力波 C-F-L条件,计算稳定性 “刚盖”近似, B-C-S模式 自由面模式, 模态分解算法 ‘耗散’和‘频散’,典型差分方案

模式设计过程 1. 推导微分方程组和边界条件 (坐标系,基本近似和假定); 2. 确定参数化方案 (第五讲); 2. 确定参数化方案 (第五讲); 3. 确定分辨率、水平网格和垂直 分层; 生成模式地形、初始场和 海表强迫场;

分辨率: 0.5º vs. 1.9º 太平洋 印度洋

4. 选择差分格式, 写出差分方程 组, 检查整体性质(质量守恒, 输运原理, 能量守恒), 确定求 解方法; 5. 程序设计 “LASG/IAP气候系统海洋模 式参考手册” (刘海龙等, 2004) 提供了一种初步规范.

基 本 近 似 和 假 定

 静力平衡 近似  Boussinesq 近似  湍流粘性 假定 分子粘性可略!

海洋和大气密度垂直变化的对比 Ocean Atmosphere  (Kg/m3)  (Kg/m3) z (m) 1025 -1000 1025 -1000 1032 -2000 1037 -3000 1042 -4000 1046 z (m)  (Kg/m3) 9000 0.466 5500 0.697 3000 0.909 1000 1.112 1.225   B & C (1972) 1976 Standard Atmosphere

压力对海水密度的贡献: 每下潜1000米(相当于增加100个大气压),海水密度约增加 5‰.

质量守恒和体积守恒

Boussinesq 近似 : 忽略连续方程中密度的个别变化 (体积守恒); 动量方程压力梯度项中的密度取为常数; 保留状态方程和静力方程中密度的变化 (浮力和水平压力梯度的来源).

SSH, T, u, averaged over 120º-150ºW (LICOM) 温度对密度和压力的贡献不可忽略 ! SSH, T, u, averaged over 120º-150ºW (LICOM)

模式方程组 和海表边条件

u-动量方程及海表边界条件 第5讲

v-动量方程及海表边界条件

温度方程, 海表边条件, 短波穿透

盐度方程及海表边界条件

(平均量)预报方程 诊断方程 湍流粘性或扩散

海水状态方程  线性近似: /0  S UNESCO 方程  Bryan-Cox 公式 (高阶展开式)

海洋模式使用的状态方程 (c1-c9 依赖于压力, 可由MOM2密度模块计算)

( http://richardson.dl.stevens-tech.edu/FIPSE/CompHydro/density.html )  (T,S,0) (UNESCO) -2 < T <30 27 < S < 38 1020 <  < 1028 ( http://richardson.dl.stevens-tech.edu/FIPSE/CompHydro/density.html )

侧边界条件 和 海底边界条件

侧边界条件—无滑动刚壁 陆地 海洋 Γ 大洋模式和区域海洋模式的区别.

底边界条件—‘爬坡’+底摩擦 w v z=-H(x,y) 底摩擦应力τb由参数化给出。

小 结 • 模式方程组:经过修改和简化的 Navier–Stokes 方程组; • 短波辐射是唯一的外强迫; 小 结 • 模式方程组:经过修改和简化的 Navier–Stokes 方程组; • 短波辐射是唯一的外强迫; • 风应力、热通量和淡水通量的“强迫”作用是通过湍流过程的边界条件实现的.