第五讲海洋模式中的参数化过程
研究海水物理过程和化学过程的三个基本参数
研究海水物理过程和化学过程的三个基本参数温室气体排放、海洋咸度变化以及海洋酸碱度增加等现象正在影响全球海洋环境。
因此研究海水物理过程和化学过程的三个基本参数，变成为研究全球海洋环境变化的基本要求。
全球海洋环境是由一系列复杂的海洋物理过程和化学过程的结果。
比如温度、温度的变化可能会影响海洋的混合过程，从而影响海洋环境；海水的盐分含量也可以影响海洋的混合过程，影响着海洋环境；海水酸碱度也会影响海洋环境，从而影响生物的繁衍和生存环境。
海洋物理过程反映了温度、盐度和海水流量之间的复杂关系，是探讨海洋环境变化的重要参数。
如果要深入研究海洋环境变化，首先要理解温度、盐度和海水流量之间的复杂关系。
目前，研究者多样的研究海洋物理学中的温度、盐度和海水流量的研究，并研究其与海洋环境变化的关系。
海洋化学过程关注的是海洋中物质和能量之间的相互转化关系。
海洋化学反映了海水中温度、盐度、pH值和酸碱度的变化。
这是海洋环境变化的重要参数，是探讨海洋环境变化的基础。
海水的温度变化会影响水的熵、蒸发、潜热和湿度，从而影响海洋环境；海水的盐分含量变化可以影响海洋的混合过程，影响海洋的传输和混合；海水的pH值和酸碱度变化也会影响海洋环境，从而影响生物的繁衍和生存环境。
海洋物理和化学过程中的三个基本参数，温度、盐度和酸碱度，都是衡量海洋环境变化的重要参数。
为此，研究者开始研究海洋物理学中的温度、盐度和海水流量的变化，以及它们对海洋环境的影响；同时，研究者也在海洋化学中研究海水温度、盐分含量、pH值和酸碱度的变化，以及它们对生物的影响。
从几个方面看，海洋物理和化学过程中的三个基本参数，即温度、盐度和酸碱度，是海洋环境变化的重要参数。
研究这三个参数，可以帮助人们更深入地了解海洋环境变化，对海洋环境变化和措施有更全面的认识，从而促进全球海洋环境的保护。
第五章海洋环流介绍
• 5.2.3 边界条件 • 研究海洋环流时，通常考虑以下几种边界， 一种是海岸与海底的固体边界，一种是与 大气之间的流体边界，它们构成与海水之 间的不连续面，因此，在运用运动方程和 连续方程讨论海水的运动时，在边界上应 附以边界条件。
• 例如在海岸与海底，由于它们的限制，海 水垂直于边界的运动速度必然为零，至多 只能存在与边界相切的速度。实际上，由 于海水与海底的摩擦作用，离边界越近的 海水运动速度应该越小，在边界上的运动 速度理论上也应当为零。这些规定边界上 海水运动速度所遵循的条件称为运动学边 界条件。在大气和海洋交界面（海面）处 的运动学边界条件为
5.4风海流
• 定义：风海流是指海面在稳 定风场长时间作用下，当垂 直湍流引起的水平摩擦力与 水平科氏力平衡时，所形成 的海水稳定流动。
• 5.4.1 . 埃克曼无限深海漂流理论 • 南森(F.Nansen)于1902年观测到北冰洋中 浮冰随海水运动的方向与风吹方向不一致， 他认为这是由于地转效应引起的。后来由 埃克曼(Ekman,1905)从理论上进行了论证， 提出了漂流理论，奠定了风生海流的理论 基础。
• 因为海水密度的分布与变化直接受 温、盐的支配，而密度的分布又决 定了海洋压力场的结构。实际海洋 中的等压面往往是倾斜的，即等压 面与等势面并不一致，这就在水平 方向上产生了一种引起海水流动的 力，从而导致了海流的形成。另外 海面上的增密效应又可直接地引起 海水在铅直方向上的运动。
• 为了讨论方便起见，也可根据海水 受力情况及其成因等，从不同角度 对海流分类和命名。例如，由风引 起的海流称为风海流或漂流，由温 盐变化引起的称为热盐环流；从受 力情况分又有地转流、惯性流等称 谓；考虑发生的区域不同又有洋流、 陆架流、赤道流、东西边界流等。
海洋中主要的垂直混合机制对流
9
双扩散（Double Diffusion）
• 形成机制：分子的热扩散速率是盐度扩散 的100倍
盐指
Salty&Warmer
Salty
Less salty&Colder
盐指试验
2007-11 10
垂直混合参数Βιβλιοθήκη 方案• 整体（Bulk）混合层方案：假设混合层中速度、 温盐是均匀的，主要模拟混合层的温度、盐度和 混合层厚度得变化。
0 2 1 1 h 1 1 3 2 2 3 we (q c j v ) m1u* hB0 ( ) J 0 C v dz h 14 2 2007-11 2 2 r 3
混合长理论方案（1）
——PP方案观测基础
• 表层混合强，温跃层 混合弱。 • 在赤道潜流上下，都 存在强的速度的垂直 切变。 • 将垂直混合系数设置 为Richardson数的函 数，以便更合理地模 拟赤道上的混合层和 温跃层的结构。
2007-11
4
海洋的主要混合机制和外强迫 浮力通量
风
Wave Breaking
Shear Ekman Langmuir Circulations Transport Internal Wave Break Convection Shear
5
Double diffusion
2007-11
垂直混合的主要机制
第五讲 海洋模式中的参数化过程
刘海龙 lhl@ 2007年11月
2007-11 1
1.3 垂直混合方案
2007-11
2
海水温度方程
T T T T ( u u ) (v v ) (w w ) t x y z T K h T (Kv ) R( K I , T ) z z 1 I 0 垂直混合 C p z CT
海洋要素计算与预报
海洋要素计算与预报 (1)第一部分数据预处理与统计分析方法 .............................................................. 1第一章数据预处理 ...................................................................................... 1一、数据质量控制 (1)1、异常数据的认定和排除 (1)2、数据系统性偏差的检查和修正 .............................................. 1二、不规则空间分布数据网格化 .. (1)1、数学插值法 (1)2、网格统计法 .............................................................................. 2三、要素统计特征 .. (3)1、要素数据标示 (3)2、均值与距平 (3)3、平均差 (3)4、方差 (3)5、协方差与相关系数 (3)6、自协方差与自相关系数 (3)7、落后协方差与相关系数 (4)8、经验分布 .................................................................................. 4第二章谱分析 (5)一、 Fourier 变换与谱分析 . (5)二、功率谱估计 (6)三、交叉谱分析 .................................................................................... 7第三章经验模态分解 . (8)一、前言 (8)二、 EMD 计算方法与 IMF 分量 (9)三、 EMD 方法中存在的问题 . ........................................................... 11 1、 EMD 方法在处理间歇信号时的不可分问题和产生的模态混合问题 .................................................................................................. 11 2、 EMD 分解方法的边界问题 . ................................................. 15四、应用实例 (17)1、 SST 资料处理 . (17)2、海平面数据处理 .................................................................... 17第四章回归分析 ........................................................................................ 18一、一元线性回归 (19)1、一元线性回归模型 (19)2、一元线性回归的方差分析 (19)3、回归方程的显著性检验 (20)4、预报值的置信区间 ................................................................ 20二、多元线性回归 (21)1、多元线性回归模型 (21)2、回归方程显著性检验 (22)3、预报值的置信区间 ................................................................ 22三、非线性回归 . (23)1、曲线函数线性化 (23)2、多项式回归 ............................................................................ 23第五章经验正交函数分解 ........................................................................ 23一、主成分的定义 (24)1、两个变量的主成分定义 (24)2、多变量的主成分定义 (25)二、主成分的导出 (26)三、主成分的性质 (27)四、主成分的计算 (28)五、经验正交函数分解 (EOF (28)六、时空转换 ...................................................................................... 29第六章最小二乘法潮汐调和分析与潮汐特征值 (30)一、分潮与潮汐调和常数 (30)二、最小二乘法潮汐调和分析方法 (32)1、任意时间间隔观测序列的方程组导出 (32)2、等时间间隔观测序列的方程组系数 (34)3、 Fourier 系数的计算 . (35)4、天文变量与调和常数计算 (36)三、潮流调和常数与潮流椭圆要素 (42)四、潮汐性质与潮汐特征值 (43)1、潮汐性质 (43)2、潮汐特征值 (43)3、平均海面、平均海平面与陆地高程,海图深度基准面与海图水深 .................................................................................................. 45 (4海图深度基准面与海图水深 ............................................ 45第七章海浪数据分析 (48)一、去倾向和去均值处理 (48)二、从波面高度序列中读取海浪的波高和周期 .............................. 48 1、跨零点波高、周期定义 .. (48)2、极值点波高、周期定义 ........................................................ 49三、波面高度分布、波高和周期的分布,波高和周期的联合分布 (49)1、波面高度分布 (49)2、波高和周期的分布 (50)四、各种波高计算 (51)五、海浪谱估计 (52)1、海浪谱估计方法 (52)2、谱矩的计算 (52)3、谱的零阶矩与各种波高的关系 (52)4、海浪谱的谱宽度计算 (52)5、谱峰频率与周期的关系 ........................................................ 53第二部分海洋数值预报 .................................................... 错误!未定义书签。
热盐环流与气候变化
热盐环流与气候变化1 引言气候指一个地区天气的多年平均状况，主要的气候要素包括光照、气温和降水等，反映了这个地区冷暖干湿等基本特征。
我国的主要气候类型包括热带、亚热带、温带季风气候，温带大陆性气候，高山高原气候等，我国主要气候带分区（如图1-1所示）。
同时气候变化是当今对人类影响最大的事件之一。
候变化主要表现在全球气候变暖、酸雨、臭氧层破坏等方面，其中气候变暖是目前最受关注的问题。
气候变化对我们的影响包括冰川消融，高温、干旱、暴雨等极端事件增多，导致粮食减产，海平面上升，物种的灭绝等等。
图1-1 中国气候类型分布海洋覆盖了地球约71%，是世界天气和气候的主要驱动力。
同时，海洋也是全球经济的主要推动力，承载着世界上90%以上的贸易，并维持着40%生活在海岸线100公里以内的人类的生存。
当今气候变化的影响在日益扩大，使得海洋观测、研究和服务比以往任何时候都更加重要。
第一，海洋是能量储存器。
因为海洋太大了，海洋覆盖了地球表面积的71%；海水太多了，占全球水资源的97%；而水相对于空气和陆地来说储热能量更强，全球变暖能量的93%都存储在海洋中。
还有，海洋还吸收了三分之一的新增温室气体排放量，所以海洋对稳定和调节全球气候具有决定性作用。
第二，海洋是能量转换器。
刚才提到了海洋储存了那么多能量，那么海洋储存的能量是如何与大气交换的呢？海洋－大气之间的热交换主要由三种方式。
一是辐射热，也就是长波辐射。
二是传导热，也叫感热，也就是接触的物体之间传导热量。
这两个热交换方式比较好理解，例如我们进入有暖气的房间，不触碰暖气片也会感受到温暖，这是辐射热，如果用手摸暖气片同样会感受热量，这就是传导热。
三是相变热，又叫潜热，当海水蒸发时需要吸收热量变成水蒸气，水蒸气上升到空中再次凝结的时候要释放热量给大气，这样在完成水循环的过程的同时也完成了相变热的传递。
第三，海洋是能量输送器。
由于海洋吸收了抵达地球的大部分太阳能，而赤道部分接收热量要远远多于两极，所以就形成了巨大的水平和垂直洋流，一些洋流可以携带热量向高纬度行进数千公里，一路走一路散热，对沿途气候产生巨大影响。
海洋数值模型的理论及应用
海洋数值模型发展的历史
海洋模型到按其水平网格的离散方式以及所使用 的垂向坐标系的不同大致经历了如下几个发展阶 段
最早出现并且还在使用的海洋模型是Bryan等人 开发的基于原始方程的低阶精度的有限差分模型， 它在水深方向采用z坐标系
虽然与传统的结构化网格相比,非结构化网格 可以更好地拟合陆地边界，但是代码实现上的 困难以及计算稳定性的问题使其迄今还没有得 到非常广泛的应用
新一代的海洋数值模型
新一代的海洋模型广泛采用随地坐标系 （ terrain-following coordinates），进而促进 了有关时间步长，对流项和压力梯度项等数值 算法的改进
进入新世纪以来，下一代的海洋数值动力模型 正在紧锣密鼓的研制中，代表性的是TOMS (Terrain-following Ocean Modeling System)，它融合了目前最先进的物理知识、 数值方法和数据同化技术
/WWWPUBLI
上个世纪70年代，sigma坐标系开始应用于 海洋模型在水深方向，比如目前被广泛使用 的POM（Princeton Ocean Model）、 ECOM （Estuarine Coastal and Ocean Model） 、ROMS（Regional Ocean Modeling System）模型都属于这种类型的 模型
快的外重力波以提高整个模式计算效率 包含了海水的热动力过程
Sigma坐标变换：s = z -h
(1)
H h
z=0
(a)
h s= 0
s = -1
U (i, j)
(b)
V (i, j+1) ������ (i, j)
参数化建模
四、船体参数化分舱
本研究以舱壁为基本设计单元，对任 意两个舱壁之间添加约束实现拓扑关系 的关联设计和关联修改。
利用在舱壁定义时得到的控制信息建 立舱室的实体模型，可以通过实体的质 量特性，快速准确地得到舱容要素等。
四、船体参数化分舱—参数化
在舱壁建立时采用参数化方法也称为尺寸 驱动，以驱动为特征，使CAD系统具有交互式 建模的功能。
五、参数化结构建模—构件抽象
Base Class Parent Class
构件 和曲面相关构件
和曲面无关构件
板 Child Class
Sub Class
骨材
骨材
板
附加操作 型材库
特征库
T型材
扁钢
角钢
球扁钢
五、参数化结构建模—模型构成
甲板结构设计
外板结构设计
特征结构设计
舱室结构设计
围 横纵 板 梁桁
定义一种实用的中性文件格式，然后开发 工具程序来把各个软件系统输出的信息以这种 文件格式描述和记录，同时开发中性文件解析 程序把存储在中性文件中的相关信息传递到各 个软件系统中。实际上要实现这个中性文件的 难度也是相当大的，但这只作为数据集成的指 导原则，在实际集成工作中可以采用更加灵活 的方法，目的是实现数据交换和系统集成。
六、接口技术研究—集成接口
中性文件
基于中性文件的数据交换
接口 程序
接口 程序
接口 程序
接口 程序
基于核心系统的的数据交换
六、接口技术研究— NAPA to CFD
需求分析：
要将NAPA中的船型数据输入到CFD系统 中的需求来源于：
一是原来在NAPA系统中历史遗留的船型需要进 行CFD计算，需要进入到CFD系统；
大洋环流和海气相互作用的数值模拟
大洋环流和海气相互作用的数值模拟（研究生课程讲义第二稿）中国科学院大气物理所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG)全球海气耦合模式课题组2007年9月大洋环流和海气相互作用的数值模拟前言张学洪(zxh@)“大洋环流和海气相互作用的数值模拟”是中国科学院大气物理研究所（IAP）大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点试验室（LASG）全球海气耦合模式课题组集体开设的一门研究生课程，可以看作“气候数值模拟”的入门课程之一。
自上世纪80年代末以来，这个课题组一直从事于LASG/IAP大洋环流数值模式和海洋—大气耦合模式的发展、改进、应用和评估等方面的研究工作，这个过程是和课题组成员对大洋环流和海气相互作用的观测事实和动力学理论的学习和理解相结合进行的。
Robert, H. Stewart在他的《Introduction to Physical Oceanography》一书中说：“Data, numerical models, and theory are all necessary to understand the ocean. Eventually, an understanding of the ocean-atmosphere-land system will lead to predictions of future states of the system”（图P1）。
的确，在海洋—大气耦合系统的研究中，观测、理论和数值模式三者是缺一不可的，而“understanding”则是整个链条的核心环节。
我们自己的经验也表明，模式发展一定要和观测、理论研究相结合，模式进步的基础在于“understanding”。
所以，本课程的侧重点虽然是“数值模拟”，但也力图将观测和理论结合进来，以期选修本课程的研究生（无论他们将来从事模式发展还是模式应用）在学习有关入门知识的同时，也能对以上的道理有所领悟。
海上大气边界层模式的物理过程及其数值模拟研究
海上大气边界层模式的物理过程及其数值模拟研究海上大气边界层模式的物理过程及其数值模拟研究引言：海上气候是地球气候系统的重要组成部分。
其中，海上大气边界层的形成和演变对海洋风暴、海气相互作用和海洋资源的利用等有重要影响。
通过对海上大气边界层模式的研究，可以更好地了解其物理过程，并进行相关数值模拟，为海上气候变化、气象灾害预测和海洋资源开发等提供科学依据。
一、海上大气边界层模式的物理过程1. 大气边界层的定义大气边界层是地球表面与上层自由大气之间的过渡区域，其中发生的物理过程对气候和天气的变化具有重要影响。
2. 海上大气边界层的特点相比陆地上的大气边界层，海洋表面具有特殊的动力特性，如湍流的活跃度、水汽的释放和吸收等特点，在大气边界层模式中需要考虑海洋的影响。
3. 海上大气边界层的形成机制海洋表面温度和海洋表面粗糙度是海上大气边界层的主要形成机制。
海洋表面温度差异引起的大气运动和湍流是大气边界层形成的关键过程。
4. 海上大气边界层的演化过程海上大气边界层的演化受到气压梯度、温度和湿度差异等因素的影响。
随着时间推移，大气边界层的高度和其内部的湍流强度会发生变化。
二、海上大气边界层模式的数值模拟研究1. 数值模拟的意义通过数值模拟海上大气边界层的物理过程，可以更好地理解海气相互作用、气候变化和气象灾害的发生机制，并为预测和应对这些气候现象提供科学依据。
2. 基本原理海上大气边界层模式的数值模拟基于流体力学和热力学等物理原理，采用数学方程组对边界层内的运动、湍流和传输等过程进行描述和计算。
3. 模型的建立海上大气边界层模式的建立需要考虑海洋表面温度和粗糙度的影响，以及海气的相互作用等因素。
同时，还需要考虑数值计算的精确性和计算效率。
4. 数值模拟结果分析通过对数值模拟结果的分析，可以得到海上大气边界层的空间变化规律、时间演化趋势和气候特征等信息。
这些信息对海上气象和气候研究以及相关灾害预测和资源利用具有重要参考价值。
研究海水物理过程和化学过程的三个基本参数
研究海水物理过程和化学过程的三个基本参数你是否还记得，十年前的今天，在某一天，研究海水物理过程和化学过程的三个基本参数：盐度、温度和ph值被提出来了。
第一个数据，盐度。
盐度指的是单位体积中溶解物质的质量，又称作海水的咸度。
这是一个多变量、强连续性的函数，受许多自然因素如地球形状、深度、洋流、风等的影响。
对于一个全世界性的海洋，可能要用一个具有足够代表性的近似的表达式去表示。
10、 11、 12……接着的三个数字越大，表示该海域的盐度越高。
例如，科学家们就研究了我国海域的咸度表示方法，发现当把我国海域分成14个大小不同的区域时，将盐度从10到100划分为五个区域，同样地区的盐度在不同季节会有明显的差异。
大家都知道食盐可以给我们身体补充必需的盐分，但是却不知道食盐在海洋里面也有它的用处。
通过对这五个海域进行研究，其中最高盐度区域表示北太平洋最重要的咸水来源之一。
以前的科学家没有这些现代仪器，所以他们只能观测到很少的盐度变化，这就使得研究人员无法准确地推断这些变化与自然过程的关系，进而得出相应的结论。
“如果我们可以利用更多的现代仪器对这些海水进行研究，并把所得的信息输入计算机的话，我们就可以在海洋学、物理学和生物学领域中引入新的概念。
”美国加州大学戴维斯分校的副教授贾克·罗斯说。
二氧化碳和氧气，一般人对此是毫无感觉的，但却是海水物理过程中的两种最基本的物质。
“二氧化碳是产生浮力的主要因素，而且它对于海洋温度有非常大的影响，特别是当这些温度和压力不断升高时。
”法国图卢兹地中海研究所的阿贝尔·纳比乌斯说，“正因为如此，海洋科学家可以通过测量二氧化碳的浓度来估算温度的升高速度，如果可以准确地获得二氧化碳浓度随着温度变化的曲线，那么海水的热容量和密度也就可以被很好地估算出来。
”第二个数据，温度。
另一个强连续性的参数是温度，指的是海水温度，包括海洋表面温度和海洋内部温度，也就是我们所说的海洋温度梯度。
海洋数学物理方法与技巧
海洋数学物理涉及了许多数学和物理的方法与技巧，用于研究海洋的动力学、波浪、潮汐、海洋流动等现象。
以下是一些常用的方法和技巧：
1. 偏微分方程：海洋数学物理中经常出现的问题包括流体动力学、波动方程、热传导方程等，这些问题通常可以通过偏微分方程来描述并求解。
2. 谱分析：对海洋波浪、潮汐、海洋流动等现象进行频谱分析，可以揭示它们的周期性、变化规律以及相互作用关系。
3. 数值模拟：利用计算机模拟海洋运动、海洋波浪传播等复杂的动力学过程，可以通过数值模拟来深入理解海洋现象的物理机制。
4. 统计方法：海洋观测数据的处理和分析通常使用统计方法，包括时间序列分析、相关性分析、回归分析等，以揭示海洋现象的统计特征和趋势。
5. 拉格朗日方法：描述流体微团在流场中的运动轨迹，从而研究海洋中的混合过程和物质输运。
6. 欧拉方法：描述流体在空间中的速度场和压力场的变化，用于研
究海洋中的大尺度流动、涡旋等现象。
7. 地理信息系统（GIS）：将海洋观测数据与地理空间信息结合，进行空间分析和可视化，有助于理解海洋环境的空间分布特征。
8. 光学遥感技术：利用卫星和航空平台获取海洋表面温度、色散、悬浮物浓度等信息，用于监测海洋变化和环境。
以上是一些海洋数学物理中常用的方法与技巧，这些方法和技巧在研究海洋环境、预测海洋变化等方面发挥着重要作用。
随着技术的进步和理论的不断深化，海洋数学物理方法与技巧也在不断演进和完善。
海洋生态学中的模型与数据处理
海洋生态学中的模型与数据处理海洋是地球上最大的生态系统之一，包含了各种各样的生命形式，从微观的浮游生物到宏观的鲨鱼和鲸鱼。
理解和保护海洋生态系统是一项重要的任务，在这个过程中，模型和数据处理技术是不可或缺的工具。
本文将探讨海洋生态学中的模型和数据处理方法。
模型模型是对现实系统的简化描述。
在海洋生态学中，模型可以帮助我们了解生物群落的动态及其背后的驱动因素。
但是，由于复杂性和不确定性，建立准确的生态模型始终是一项具有挑战性的任务。
以下是一些在海洋生态学中广泛应用的模型类型：1. 生物量谱模型生物量谱是指不同大小的生物个体数量的某种分布，如体重、长度、表面积等。
因此，生物量谱模型基于不同种类的生物体谱来预测群落生态系统的生物量和生产力。
该模型通常假定一个稳态系统，并将预测结果与现场调查结果进行比较以验证其准确性。
2. 捕食-猎物模型捕食-猎物模型模拟捕食者和猎物之间的相互作用。
这种模型通常包括两个方程式：一个描述猎物的增长和死亡，另一个描述捕食者的增长和死亡。
毒素释放、掠夺和重叠等现象通常包括在模型中。
3. 等离子体模型等离子体模型描述了物种之间的密度依赖关系，该模型通过将一个物种的增长率定义为种群密度和食物量之间的函数来建立。
这种模型可以被用来研究遗传漂变、生态邻域和其他生态因素的影响。
数据处理数据处理是从原始数据中提取和分析有用信息的一系列过程。
在海洋生态学中，基于现场调查和实验获得的原始数据是进行生态模型构建和验证的主要来源。
因此，数据质量管理、数据准备和方法是成功数据处理的关键。
以下是一些在海洋生态学中广泛使用的数据处理技术：1. 数据质量管理数据质量管理是确保数据精度、完整性和可靠性的一系列过程。
这包括了数据采集，数据存储和检查，数据清理和数据归档等步骤。
在数据采集的过程中，必须要考虑样本的样品数量，以及保存和处理样品的温度和压力等因素。
2. 数据可视化可视化可以帮助我们对复杂数据进行更深入和更全面的理解。
海洋数值模型的理论及应用
的上限值为0.023，对应的
和2.4401；在稳定层次
可表示为
1
0 条件下，
D s
S M , S H 值分别为2.0145
1
0
D s
条件下，它下限值为
-0.28，对应的 S M , S H 值分别为 0.0470和 0.0461。
E1,E2,E3,B1 是2.5阶M-Y湍流闭合模式参数，由实验测得
进入新世纪以来，下一代的海洋数值动力模型
正在紧锣密鼓的研制中，代表性的是TOMS
(Terrain-following Ocean Modeling System)，它
融合了目前最先进的物理知识、数值方法和数
据同化技术
/WWWPUBLI
精选2021版课件
列软件系统；荷兰的WL Delft Hydraulics开
发的的Delft－3D软件
精选2021版课件
7
第二节
基于POM模型的一般介绍
精选2021版课件
8
水动力模型基本特点
垂直方向的 坐标变换
水平网格采用正交曲线坐标和ArakawaC差分格式
水平时间差分采用显格式，而垂直差分为隐格式
S
V
D
S
S
= H
F
S
t
x
y
D
盐度方程
(6)
2
2
2
2
2
K
q
D
U
q
D
V
海洋数值模拟课程教学大纲
海洋数值模拟课程教学大纲课程代码：74190061课程中文名称：海洋数值模拟课程英文名称：Marine numerical simulation学分：3.0 周学时：2.5-1.0面向对象：预修要求：高等数学、物理海洋学基础一、课程介绍（一）中文简介本课程以讲授海洋数值模拟基础知识和海洋数值模拟前后处理方法为主，辅以海洋数值模型简单实例。
主要内容包括：Matlab语言和Fortran语言入门；海洋流场的流体动力学特征；海洋流体动力学基础模型、控制方程组及定解条件；动力学方程的常用数值离散方法、差分格式；海洋数值模型开边界、侧边界条件设置及获取方法；模型网格种类及构建方法；常用海洋数值模型简介及对比；物质输运模型的构建原理；数据同化方法简介；海洋数值模型算例示范，模型示范包括模型选择、研究区域选择、网格构建、开边界条件获取、模型控制参数调整及模拟结果分析等模块。
通过本课程的学习，学生可具备海洋数值模拟基础，并初步应用数值模拟软件，有助于他们以后采用数值模型开展科学研究以及工程应用工作。
（二）英文简介This course will focus on the Fortran and Matlab languages for pre- and post- processing in the numerical modeling, and fundamentals of oceanic numerical simulation, including the geophysical characteristics of ocean water, governing equations of ocean dynamics, differential schemes, the settings of lateral and open boundary conditions, and model grids. The transport model and data assimilation methodology will also be briefly introduced. With the basis above, some preliminary examples will be carried out, by using Delft3D or DHI Mike, to describe the details how the model works, including the generation of input files, selection of studyarea, parameter optimization, model calibration, analysis of modeling results, etc. By taking this course, the students can have the basic knowledge of oceanic numerical modeling, which can be used in their future research works.二、教学目标(一)学习目标数值模拟已经成为海洋科学基础研究以及工程应用方面不可缺少的工具，通过开设此课程，可使学生初步掌握数值模拟相关计算机语言，了解海洋流场的流体动力学特征、海洋流体动力学模型控制方程组、动力学方程的常用数值离散方法、海洋数值模型开边界设置及获取方法、模型网格种类及构建方法；能够评价并对比常用海洋数值模型；在未来的工作或者研究生学习过程中，能够对数值模拟的各模块，包括模型选择、研究区域选择、网格构建、开边界条件获取、模型率定、模型控制参数调整及模拟结果分析等，有大体的了解和认识。
海洋环流数值模式
海洋环流数值模式海洋环流数值模式是一种用于模拟和预测海洋中水流运动的数学模型。
通过对海洋环流的数值模拟，可以帮助我们更好地了解海洋的运动规律，预测海洋中的洋流、涡旋和涡旋等现象，对于海洋环境保护、海洋资源开发和海洋灾害预防等方面具有重要的意义。
海洋环流数值模式的基本原理是根据海洋运动的基本方程，通过将海洋划分为无数个小网格，使用差分方法将海洋运动方程离散化，然后利用计算机进行求解。
通过对模型的运算，可以得到海洋中各个网格点上的流速、流向等物理量的变化规律，从而预测海洋环流的演变趋势。
海洋环流数值模式通常包括动力学模式和参数模式两部分。
动力学模式主要描述海洋中的惯性运动和地转流等大尺度运动，通过求解海洋动量方程和连续性方程来模拟海洋的流动。
参数模式主要考虑到海洋中的湍流、热量和盐分传输等小尺度过程，通过引入参数化方程来修正动力学模式的不足。
海洋环流数值模式的输入主要包括海洋表面的风场、海洋底部的地形、海洋中的淡水通量等。
其中，风场是海洋环流模拟中最为重要的输入参数，因为风是海洋中能量转移的主要驱动力。
通过模拟风场对海洋的作用，可以预测海洋中的风生流、边界流和地转流等现象。
海洋环流数值模式的输出主要包括海洋中的流速、流向、海表高度、海洋温度和盐度等物理量的变化。
这些输出结果可以用于研究海洋中的环流结构、洋流路径和海洋动力学过程等，也可以用于预测海洋中的海浪、海冰、海洋污染物传输等现象。
海洋环流数值模式的应用范围非常广泛。
在海洋科学研究方面，它可以用于研究海洋环境和海洋生态系统的变化，探索海洋生物和海洋资源的分布规律。
在海洋工程领域，它可以用于设计海洋结构物、预测海洋风浪、优化海洋能利用等。
在海洋灾害预防方面，它可以用于预测海洋中的风暴潮、波浪和海啸等，为海洋灾害的防范和减灾提供重要依据。
尽管海洋环流数值模式在海洋科学和工程领域有着广泛的应用，但它也存在一些挑战和限制。
首先，海洋环流数值模式需要大量的计算资源和数据支持，模拟范围和时间尺度有限。
洋流模型的建立
洋流模型一洋流模型的参数定义将一系列具有潮汐成分频率的正、余弦函数作为时间基函数。
并用y来表示洋流在东西和南北方向上的速度。
得到洋流速度模型如下:（1.1）其中，N为所研究的海域中的成分的个数，x为节点的位置，表示在观察时间段内洋流速度的平均值。
和,是与节点位置相关的函数。
高斯径向函数（RBF）被用作此处的空间基函数（原因：径向基函数在内插、近似数据时比多项式函数的误差更小，同时，高斯径向函数在近似数据的准确度和平滑度之间比其他的径向函数要好。
）：（1.2）（1.3）（1.4）（1.5）其中M表示洋流模型中的径向基函数个数，表示径向基函数中的中心，表示径向基函数的宽度，是高斯径向基函数的系数。
由于和都是关于水下节点的位置函数，所以它们的高斯径向基函数的中心和宽度都是相同的。
将公式(1.2), (1.3), (1.4), (1.5)带入公式(1.1)中，则y(x, t)可表示为:（1.6）（1.7）洋流模型的输入为节点的位置，输出为该位置的洋流速度在t时的估计。
其中径向基函数的宽度是己知的，但有不同的中心。
二洋流模型参数选择1，步骤（1）选择现有洋流模型的n个网格点。
径向基函数的数量M应该小于n；（2）K-mean簇方法来计算径向基函数的中心点位置；K-mean簇方法把原始数据分成M个互相分离的子集，每个子集有个数据点，K-mean簇方法是想找到一种分割方法，最小；（3）选用和输入再同一数量级上的数作为径向基函数的宽度；（4）有了时间和空间基函数以及在一串时间序列上的网格点上的洋流数据，接下来用最小二乘法计算公式（1.7）中的参数，产生最初的洋流模型。
通过时间基函数和空间基函数以及相应参数，可以很好的表现洋流的真实速度，如果这些参数没有随时的更新，洋流估计会产生一定的偏差。
通过这个洋流模型，我们可以预测洋流在未来一个小段时间内节点附近海域的速度。
图2-1 通过时间基函数和空间基函数重建的洋流速度图中实线是洋流速度的真实值，点画线是通过时间基函数，空间基函数以及它们相应的参数构建出来的洋流的速度。
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次网格尺度过程（2）
～1000km 大尺度环流 10~100km 中尺度涡 ~1cm 湍流 <1mm 分子运动 海洋
能谱
次网格尺度
2007年10月
波长
19
海洋模式的水平分辨率
• • • • Coarse: >2 Medium: 2/3 to 2 Eddy-permitting: 1/6 to 2/3 (涡相容的) Eddy-resolving: <1/6 (涡分辨的)
2007年10月
（引自《Numerical ocean circulation modeling》, by D. B. Haidvogel and A. Beckmann, 1999）
2
什么是参数化（Parameterization）？
• to express in terms of parameters
例子：参数化次网格湍流
Reynolds应力
K表示湍流粘性系数
ρ表示密度，()′表示扰动量，-表示 Reynolds平均 单位时间内，单位面积，在z方向上输送 的x方向的脉动动量通量的平均值。
2007年10月 4
海洋环流模式中哪些过程需 要参数化？
纬圈和全球平均的海温分布
短波辐射穿透
Temp
Mixed layer 混合层
2007年10月 10
2007年10月
/FGCM/index.htm
11
主要内容
1、次网格过程参数化
1.1 基本概念和理论
1.2 水平粘性方案
1.3 垂直混合方案
1.4 中尺度涡参数化
2、深对流
3、短波辐射穿透
2007年10月 12
1、次网格参数化 1.1基本概念和理论
模式动力框架和参数化过程
• 动力框架（数值方法）
方程、网格、差分格式、 积分方案等等
• 参数化（物理过程）
湍流过程、中尺度涡、 辐射传输等等
2007年10月
1
参数化对模式的重要性
• 有关近似和参数化的相关概念是贯穿我们 整个阐述过程的主题。正如我们所强调的 那样，按照惯例用于解决海洋行为的运动 方程通过复杂的一系列运动学近似、物理 的参数化和数值假定得到。任何一个或所 有这些近似和参数化都可能对海洋模拟的 质量产生重要影响。因此对于从事海洋环 流模拟研究的新手来说，知道解的敏感性 和潜在问题的源头是十分重要的。
深对流
2007年10月
深对流
Tropical Thermocline Thermocline 温跃层 Permanent Thermocline
底边界层
6
海水温度方程
水平混合 中尺度涡
垂直混合
短波辐射穿透
2007年10月
深对流
7
动量方程
水平粘性
2007年10月
垂直粘性
8
海洋模式中的主要参数化过程
2007年10月
21
Reynolds应力
已知
2007年10月
22
平均量方程组
X方向动量方程
Y方向动量方程
静力方程和连续方程 温度方程
2007年10月
5个方程9个未知数
23
扰动量方程
NS方程减平均量方程得
化简得
2007年10月
24
扰动协方差方程
并整理得
三阶项
2007年10月
25
湍流动能（TKE）方程
海水中的分子运动
分子运内是重要的，对海洋 内部的运动和示踪物扩散的影响可以忽略。
2007年10月 14
海洋中的湍流
• 流体微团 相对于分子足够大 相对于运动足够小 • Reynolds数 海水是湍流流体 • 湍流运动在边界附近 较强
2007年10月
15
海洋的中尺度运动
• • • • • • 动量方程中的水平和垂直粘性 温度和盐度方程中的水平和垂直混合 中尺度涡的混合和输运 深对流过程 短波辐射穿透 海底边界层 。。。。。。
9
2007年10月
LASG 大洋环流模式
ML20 : 20 Levels, 4 5 (陈克明, 1994; 张学洪等,1996; 俞永强等, 1997) L30T63 : 30 Levels, 1.875 1.875 (金向泽等, 1999) LICOM 1.0 : LASG/IAP Climate System Ocean Model, 30 Levels, 0.5 0.5 (刘海龙, 2002；刘海龙等, 2004)
2007年10月
空间尺度100-1000 km，时间尺度月以上， 由风和浮力通量驱动，是气候研究和模拟的对象。 17
次网格尺度过程（1）
• 不能被模式的网格所分 辨的过程，就称为“次 网格”过程。次网格过 程需要参数化。 • “次网格”过程的空间 尺度并是一个相对的概 念。如涡分辨率模式。 • 提高模式的分辨率可以 减小模式对参数化的依 赖程度。
(Merriam-Webster’s Collegiate Dictionary)
• 在数值模式中，不考虑过程的细节，而 是用其它一些确定的变量所表示的简化 函数表示这个过程，这个方法称为“参 数化”。
(Glossary of PO and Related Disciplines)
2007年10月 3
目前用于气候研究的海洋模式大多为中等 分辨率（1左右，约为100km），可以较 好地分辨大尺度环流。
2007年10月 20
The classification of ocean horizontal resolution（IPCC TAR, 2001）
Reynolds平均
采样间隔2秒
Reynolds平均 1. 对湍流足够大 2. 对大尺度运动足够小 Reynolds 平均的性质
大 ~1000km 气
中尺度涡：10-100km 中尺度涡是海洋中最活 跃的物理过程，在稳定状 态下，海洋的混合主要是 通过中尺度涡进行的。 中尺度涡的混合主要是 10~100km 海 沿着等密度面进行，穿越 Eddies 洋 等面度面的分量较小。
2007年10月
16
海洋中的大尺度运动 Ocean General Circulation
平均流的位能与TKE之间的转化
平均流的动能与TKE之间的转化
TR表示输送和压力对TKE的再分配 ε表示TKE的耗散
2007年10月 26
方程组小结
全量方程 扰动量u’
平均量方程
扰动量方程
×u’
扰动量协方差 (<u’v’>)方 程