第五讲海洋模式中的参数化过程精品PPT课件
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(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)
2006-10
4
例子：参数化次网格湍流
Reynolds应力
M a c in to s h P IC T im a g e fo r m a t
is n o t s u p p o r te d
M a c in to s h P IC T M a c in to s h P IC T
im a g e fo rm a t
im ag e fo rm at
水平粘性
垂直粘性
2006-10
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
。。。。。。
2006-10
10
LASG 大洋环流模式
ML20 : 20 Levels, 4 5
➢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。
2006-10
17
海洋中的大尺度运动 Ocean General Circulation
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。
2006-10
18
M a c次网in格t尺o度s过程h（1P）IC T
6
纬圈和全球平均的海温分布
短波辐射穿透
Temp
Mixed layer 混合层
深对流 深对流
2006-10
Tropical Thermocline
Thermocline 温跃层
Permanent Thermocline
底边界层
7
海水温度方程
水平混合
中尺度涡
M a c in to s h P IC T im a g e fo rm a t
is n o t s u p p o r te d is n o t su p p o rted
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。
2006-10
5
海洋环流模式中哪些过程需 要参数化？
2006-10
P IC T
im a g e
fo r m a t
is
not
s u p p o r te d
2006-10
16
海洋的wenku.baidu.com尺度运动
~1000km
大 气
10~100km 海 Eddies 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。
2006-10
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
• Reynolds数 海水是湍流流体
• 湍流运动在边界附近 较强
M a c in t o s h
P IC T
im a g e
fo r m a t
is
not
s u p p o r te d
M a c in t o s h
第五讲 海洋模式中的参数化过程
2007年10月
2006-10
1
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
M acintosh PICT im age form at is not supported
M a c in to s h P IC T im a g e fo rm a t
is n o t s u p p o rte d
分子扩散
M a c in to s h P IC T im a g e fo rm a t
is n o t s u p p o rte d
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。
2006-10
（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
(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,
i s n o t s u p p o垂r直t混e合 d
2006-10
短波辐射穿透
深对流
8
动量方程
M a c in to s h P IC T
im a g e fo rm a t
is
n o t s u p p o r t e d M acintosh PICT im ag e fo rm at is n o t su p p o rted
i m a g e f o r m a t • 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。
is n o t s u p p o r t e d • “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。
2004)
2006-10
11
2006-10
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
2006-10
13
1、次网格参数化 1.1基本概念和理论
2006-10
14
海水中的分子运动
分子运动粘性系数
2006-10
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。
• 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)
2006-10
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例子：参数化次网格湍流
Reynolds应力
M a c in to s h P IC T im a g e fo r m a t
is n o t s u p p o r te d
M a c in to s h P IC T M a c in to s h P IC T
im a g e fo rm a t
im ag e fo rm at
水平粘性
垂直粘性
2006-10
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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
。。。。。。
2006-10
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LASG 大洋环流模式
ML20 : 20 Levels, 4 5
➢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。
2006-10
17
海洋中的大尺度运动 Ocean General Circulation
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。
2006-10
18
M a c次网in格t尺o度s过程h（1P）IC T
6
纬圈和全球平均的海温分布
短波辐射穿透
Temp
Mixed layer 混合层
深对流 深对流
2006-10
Tropical Thermocline
Thermocline 温跃层
Permanent Thermocline
底边界层
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海水温度方程
水平混合
中尺度涡
M a c in to s h P IC T im a g e fo rm a t
is n o t s u p p o r te d is n o t su p p o rted
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。
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海洋环流模式中哪些过程需 要参数化？
2006-10
P IC T
im a g e
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is
not
s u p p o r te d
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海洋的wenku.baidu.com尺度运动
~1000km
大 气
10~100km 海 Eddies 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。
2006-10
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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
M a c in t o s h
P IC T
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is
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M a c in t o s h
第五讲 海洋模式中的参数化过程
2007年10月
2006-10
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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
M acintosh PICT im age form at is not supported
M a c in to s h P IC T im a g e fo rm a t
is n o t s u p p o rte d
分子扩散
M a c in to s h P IC T im a g e fo rm a t
is n o t s u p p o rte d
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。
2006-10
（引自《Numerical ocean circulation modeling》,
by D. B. Haidvogel and A. Beckmann, 1999）
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什么是参数化（Parameterization）？
• to express in terms of parameters
(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,
i s n o t s u p p o垂r直t混e合 d
2006-10
短波辐射穿透
深对流
8
动量方程
M a c in to s h P IC T
im a g e fo rm a t
is
n o t s u p p o r t e d M acintosh PICT im ag e fo rm at is n o t su p p o rted
i m a g e f o r m a t • 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。
is n o t s u p p o r t e d • “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。
2004)
2006-10
11
2006-10
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
2006-10
13
1、次网格参数化 1.1基本概念和理论
2006-10
14
海水中的分子运动
分子运动粘性系数
2006-10
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。