海洋模式中的参数化过程
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• Reynolds数 海水是湍流流体
• 湍流运动在边界附近 较强
Reynolds
Advection Viscous
UL
~
O(1011)
Rec
~ O(10 6 ); L ~ O(106 ); U ~ O(10 1); Re c 103
2007年10月
16
海洋的中尺度运动
~1000k 大
纬圈和全球平均的海温分布
Tem
短波辐射穿透
p
Mixed
layer
混合层
深对流 深对流
Tropical Thermoclin
e Thermoclin
e 温跃层
Permanent Thermoclin
e
底边界层
2007年10月
7
海水温度方程 水平混合
中尺度涡
T (u u ) T (v v ) T (w w ) T
2007年10月
（引自《Numerical ocean circulation modeling》, by D. B. Haidvogel and A. Beckmann, 1999） 3
什么是参数化 （Parameterization）？
• to express in terms of parameters
2007年10月
19
～1000km 大尺度环流
次网格尺度过程（2）
10~100k m
中尺度涡
~1cm 湍流
<1mm 分子运动
海洋
能谱
次网格尺度
波长
2007年10月
20
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)
m
气
10~100k m
Eddies
海 洋
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 沿着等密度面进行，穿越 等面度面的分量较小。
2007年10月
17
海洋中的大尺度运动 Ocean General Circulation
2004)
11
2007年10月 http://web.lasg.ac.cn/FGCM/index.ht
12
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
13
1、次网格参数化 1.1基本概念和理论
海水中的分子运动
分子运动粘性系数
106 m2s1
分子扩散 KT 107 m2s1 KS 109 m2s1
分子运动在距边界几毫米以内是重要的，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
15
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
(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
4
• Eddy-resolving:
<1/6
(涡分辨的)
The classification of ocean horizontal resolution（IPCC TAR, 2001）
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。
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。
2007年10月
18
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。
例子：参数化次网格湍流
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Reynolds应 uu, vu, wu
力
zx
wu
K z
u z
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
5
海洋环流模式中哪些过程需 要参数化？
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,
海洋模式中的参数化过程
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
2
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。
t
x
y
z
K hT
z
(Kv
T ) z
R(K I ,T )
1 I0
C p z
垂直混合
CT
短波辐射穿透
深对流
2007年10月
8
动量方程
u u u v u w u fv 1 p
t
x y z
0 x
BKhh2uu
z
(Kv
u ) z
水平粘性
垂直粘性
2007年10月
9
海洋模式中的主要参数化过程
• 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
。。。。。。
2007年10月
10
LASG 大洋环流模式
2007年10月
ML20 : 20 Levels, 4
• 湍流运动在边界附近 较强
Reynolds
Advection Viscous
UL
~
O(1011)
Rec
~ O(10 6 ); L ~ O(106 ); U ~ O(10 1); Re c 103
2007年10月
16
海洋的中尺度运动
~1000k 大
纬圈和全球平均的海温分布
Tem
短波辐射穿透
p
Mixed
layer
混合层
深对流 深对流
Tropical Thermoclin
e Thermoclin
e 温跃层
Permanent Thermoclin
e
底边界层
2007年10月
7
海水温度方程 水平混合
中尺度涡
T (u u ) T (v v ) T (w w ) T
2007年10月
（引自《Numerical ocean circulation modeling》, by D. B. Haidvogel and A. Beckmann, 1999） 3
什么是参数化 （Parameterization）？
• to express in terms of parameters
2007年10月
19
～1000km 大尺度环流
次网格尺度过程（2）
10~100k m
中尺度涡
~1cm 湍流
<1mm 分子运动
海洋
能谱
次网格尺度
波长
2007年10月
20
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)
m
气
10~100k m
Eddies
海 洋
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 沿着等密度面进行，穿越 等面度面的分量较小。
2007年10月
17
海洋中的大尺度运动 Ocean General Circulation
2004)
11
2007年10月 http://web.lasg.ac.cn/FGCM/index.ht
12
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
13
1、次网格参数化 1.1基本概念和理论
海水中的分子运动
分子运动粘性系数
106 m2s1
分子扩散 KT 107 m2s1 KS 109 m2s1
分子运动在距边界几毫米以内是重要的，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
15
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
(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
4
• Eddy-resolving:
<1/6
(涡分辨的)
The classification of ocean horizontal resolution（IPCC TAR, 2001）
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。
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。
2007年10月
18
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。
例子：参数化次网格湍流
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Reynolds应 uu, vu, wu
力
zx
wu
K z
u z
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
5
海洋环流模式中哪些过程需 要参数化？
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,
海洋模式中的参数化过程
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
2
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。
t
x
y
z
K hT
z
(Kv
T ) z
R(K I ,T )
1 I0
C p z
垂直混合
CT
短波辐射穿透
深对流
2007年10月
8
动量方程
u u u v u w u fv 1 p
t
x y z
0 x
BKhh2uu
z
(Kv
u ) z
水平粘性
垂直粘性
2007年10月
9
海洋模式中的主要参数化过程
• 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
。。。。。。
2007年10月
10
LASG 大洋环流模式
2007年10月
ML20 : 20 Levels, 4