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。

图P1. 观测、数值模式、理论、“understanding”和预测之间

的关系（引自Stewart,2004）

本课程设计的思路是：利用海洋环流模式和海气耦合模式的模拟结果，结合观测资料，诠释大洋环流和海气相互作用的基本概念和动力学理论，重点分析当代气候数值模拟中几个受关注程度较大的问题，同时介绍有关模式设计和模式评估的初步知识。课程包括以下十二讲：

第一讲热带太平洋SST，赤道流系，温跃层和海表高度

第二讲风生环流的Sverdrup理论

第三讲风应力，热通量，淡水通量

第四讲大洋环流模式设计初步

第五讲海洋模式中的参数化过程

第六讲云对海气相互作用的影响

第七讲ENSO的数值模拟

第八讲印度尼西亚贯穿流的模拟

第九讲中高纬度海气相互作用

第十讲大洋热盐环流

第十一讲海冰及其数值模拟

第十二讲全球变暖的模拟

其中，第一、二、六、七讲侧重讨论热带太平洋的问题，特别是和ENSO 有关的海洋环流和海气相互作用问题，这里‘热带太平洋’通常是指太平洋在30°N—30°S之间的部分（图P2）。第八讲介绍从热带太平洋到印度洋的输送，即印度尼西亚贯穿流。第九讲讨论中高纬度海气相互作用和热带海气相互作用的区别和联系。第十讲（热盐环流）、第十一讲（海冰）和第十二讲（全球变暖）讨论的问题有很强的相互关联，它们都将涉及到中高纬海洋，特别是北大西洋、北冰洋和南大洋（图P2）。第三、四、五讲介绍有关大洋环流模式的基础知识。

图P2. 大洋的划分（基于Levitus (1982) 的Fig. 122）。赤道附近的西太平洋和印

度洋是连通的，它们的分界线取在澳大利亚以北130°E附近，大致在阿拉弗拉海

（Arafura Sea，属西太平洋）和帝汶海（Timor Sea，属印度洋）之间（详见第八

讲）。南半球中高纬度是三大洋相互联系的通道，称为‘南大洋’，除南太平洋东

部外，南大洋的北界大部位于38°—42°S之间（刘改有，1989）。南太平洋和南

大西洋的分界线位于67°16′W，即通过南美洲合恩角（Cape Horn）至南极大陆

的经线；南太平洋和南印度洋的分界线位于146°15′E，即通过塔斯马尼亚

（Tasmania）岛东南角至南极大陆的经线；图中给出的是它们的大致位置。北冰

洋（Arctic Sea）和北大西洋之间以北极圈（66° 33′ 39″）为界（详见第十一讲）。

这份讲义是在2006年讲义（第一稿）的基础上修改和补充而成的，可以为选修这门课的研究生提供一份涵盖课程基本内容的参考材料。为使其在教学实践中得到不断改进，热诚欢迎读者的批评、指正和提出修改建议。

参考文献

Stewart, R.H., 2004: Introduction to Physical Oceanography, pdf version, available at /education/common/notes/PDF_files/book_pdf_files.html. Levitus, S., 1982: Climatological Atlas of the world Ocean, NOAA Professional Paper 13, U.S.

Government Printing Office, Washington, D.C., 173pp.

刘改有，1989：海洋地理，北京师范大学出版社，313页。

大洋环流和海气相互作用的数值模拟

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@ )

1.1. 热带太平洋 SST

热带海洋是大气水分的主要来源，向大气提供热量的主要方式是蒸发潜热，而水汽凝结释放潜热对大气环流（全球风系）有重要的驱动作用。反过来，风又可以通过驱动洋流和控制海气热交换来影响海面温度（SST ）。由于SST 在很大程度上控制着海洋向大气输送水分的空间分布和强度，它本身又受到海气相互作用的强烈影响，因而成为联结大气和海洋的最重要的变量。对于气候模式来说，SST 是单独大气模式的下边界条件，也是检验海洋模式和海气耦合模式能力的第一指标。因此，关于海洋环流和海气相互作用的讨论可以从了解SST 开始。

图1.1. 热带太平洋年平均SST 和风应力（SST 单位：ºC ；风应力单位：

dyn/cm 2. 资料来源：da Silva et al., 1994） 图1.1是热带太平洋年平均SST 和风应力的气候分布，主要的暖水区是西太平洋暖池（warm pool ）和热带辐合带（ITCZ ），主要的冷水区位于太平洋东岸，其中从秘鲁沿岸向赤道伸展的冷舌（cold tongue ）和西太平洋暖池形成鲜明的对比，赤道暖池区的SST 比冷舌区高3ºC 以上。为了了解造成暖池和冷舌差别的原因，我们来考察海水位温方程和相应的海表边界条件：

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂-∂∂-∂∂-=∂∂z T z z T w y T v x T u t T κ (1.1) ↓==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂Q c 1z T p

00z ρκ (1.2) 其中T 是海水的位温，u, v, w 是洋流速度的三个分量，κ是垂直湍流扩散系数，ρ0

和c p 分别是海水的密度和定压比热，Q ↓是净的海表热通量（向下为正）注1。

注1这里使用的是位温方程和海表边界条件的简化形式，有关问题将在第三讲和第四讲讨论。