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。
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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