大洋环流和海气相互作用的数值模拟：C00_绪论

1、,大洋环流和海气相互作用的数值模拟,气候数值模拟的入门课程,提 纲,气候数值模拟的特点及其意义 什么是数值模拟？ 数值模式发展历史 课程整体介绍 课程设计目的和意义 基础理论部分 模式设计初步 模式典型应用 小结,气候数值模拟的研究对象：地球气候系统,气候系统模式示意图,史上最伟大的地球照片：暗淡蓝点,再看看那个光点，它就在这里。那是我们的家园，我们的一切。你所爱的每一个人，你认识的每一个人，你听说过的每一个人，曾经有过的每一个人，都在它上面度过他们的一生。我们的欢乐与痛苦聚集在一起，数以千计的自以为是的宗教、意识形态和经济学说，所有的猎人与强盗、英雄与懦夫、文明的缔造者与毁灭者、国王与农夫、

2、年轻的情侣、母亲与父亲、满怀希望的孩子、发明家和探险家、德高望重的教师、腐败的政客、超级明星、最高领袖、人类历史上的每一个圣人与罪犯，都住在这里一粒悬浮在阳光中的微尘。 在浩瀚的宇宙剧场里，地球只是一个极小的舞台。地球是目前已知存在生命的惟一世界。至少在不远的将来，人类无法迁居到别的地方。访问是可以办到的，定居还不可能。不管你是否喜欢，就目前来说，地球还是我们生存的地方。 有人说过，天文学令人感到自卑并能培养个性。除了这张从远处拍摄我们这个微小世界的照片，大概没有别的更好办法可以揭示人类妄自尊大是何等愚蠢。对我来说，这强调说明我们有责任更友好地相处，并且要保护和珍惜这个淡蓝色的光点这是我们迄今

3、所知的惟一家园。,逻辑和实验是近代自然科学的基础,逻辑的传统来自古希腊,逻辑和实验是近代自然科学的基础,实验的传统来自文艺复兴时代,大气和海洋科学的主要研究手段,(From Stewart, 2004),数值模拟是针对所研究的复杂性科学问题，建立数学模型,利用高性能计算机进行大规模科学计算的研究手段.数值模拟的出现使得大气和海洋科学成为一门“可实验”的科学.,“气候模式是人类发展的最为复杂的模拟工具之一，是理解和预测气候及其变化的基础，是支撑气候相关决策的重要工具。未来二十年，美国气候模拟事业必须快速发展以适应国家需求、保持国际竞争力。” - 引自推动气候模拟的美国国家战略,美国橡树岭国家实验

4、室Gaea气候研究超级计算机,气候模式研发是国际竞争的前沿,提 纲,气候数值模拟的特点及其意义 大气科学发展历史回顾 数值模式发展历史和展望 课程整体介绍 课程设计目的和意义 基础理论部分 模式设计初步 模式典型应用 上机实习 小结,大气科学发展史回顾,1617世纪开始出现仪器观测 20世纪初锋面、气团学说 1940s，高空气象观测和长波理论建立 1950s，卫星观测、数值预报 1960s，海气相互作用、气候数值模式 1970s, 气候系统概念，海气耦合气候模式 1980s, 全球变化研究，ENSO预测 1990s, 从物理气候系统到地球系统 2000s, 气候变化研究：机理、影响、适应,数值

5、天气预报的先驱,Richardson预报工厂想象图,第一台电子计算机与天气预报,ANIAC: 150吨， 5000次秒,24小时500hPa高度和涡度预报图（Charney et al 1950）,The quiet revolution of numerical weather prediction,Bauer et al. 2015, Nature,天气预报模式与气候模式异同点,相同点：控制方程、动力框架、参数化过程、数值算法大致相同 区别： 大气 vs 地球系统 中短期预报 vs 气候预测、预估和机理研究 未来发展趋势：天气气候模式一体化,气候模式发展历史,地球流体数值模拟和预测面临的挑

6、战,模式具有不确定性 数值算法误差 次网格参数化方案 可预报性问题 可预报性的根源 如何提高可预报性 观测数据缺乏 计算机硬件的限制,大气和海洋模式次网格过程,数值模式对计算资源的需求,改进数值模拟的原则：基于第一性原理,第一性原理：在每一系统的探索中，存在第一原理，是一个最基本的命题或假设，不能被省略或删除，也不能被违反。 亚里士多德,提 纲,气候数值模拟的特点及其意义 什么是数值模拟？ 数值模式发展历史 课程整体介绍 课程设计目的和意义 基础理论部分 模式设计初步 模式典型应用 上机实习 小结,课程特点,以LASG国家重点实验室研制的海洋模式及其耦合模式为例，讲授气候模式的基本概念、研制过

7、程和应用举例 任课教师多年来一直从事模式研制或者应用研究 不求面面俱到，“重点突出、自成体系”！,海洋环流和海气相互作用的意义,地球科学发展趋势：圈层相互作用和学科交叉 大气圈的24周以上的长时间尺度变率都与下垫面的相互作用有关 海洋和大气是地球系统中最为活跃、关系最为密切的两个圈层 海气相互作用是地球科学研究中最活跃的学科前沿之一,课堂讲解与自学结合,主要参考书,本课程涉及的四个方面：,1. 基础知识 2. 模式原理 3. 典型问题模拟 4.模式实践,目的：了解和正确使用模式,提 纲,气候数值模拟的特点及其意义 什么是数值模拟？ 数值模式发展历史 课程整体介绍 课程设计目的和意义 基础理论部

8、分 模式设计初步 模式典型应用 上机实习 小结,第一部分 基础知识 1. 热带太平洋环流的初步知识 2. 风生环流 3. 风应力,热通量,淡水通量 4. 云对海气相互作用的影响 5. 中高纬度海气相互作用 6. 大洋经圈翻转环流,海洋和大气的异同点,控制方程都是N-S方程，但是密度、比热、耗散系数等不一样 对于大尺度环流，都可以采用静力近似，但是海洋采用Bossinique近似，大气不用 大气考虑水汽方程，海洋考虑盐度方程 大气动能主要来自下垫面加热，海洋则主要来自风应力、潮汐、波浪等机械能输入 海水相变发生在海气界面上，大气水汽相变过程可以发生在任何地点 海洋观测非常困难,海洋和大气密度垂直

9、变化的对比,1976 Standard Atmosphere,B & C (1972),Ocean,Atmosphere,提 纲,气候数值模拟的特点及其意义 什么是数值模拟？ 数值模式发展历史 课程整体介绍 课程设计目的和意义 基础理论部分 模式设计初步 模式典型应用 小结,第二部分 模式原理 7. 大洋环流模式原理 8. 海洋模式的物理参数化 9. 海冰及其数值模拟, 静力平衡 近似 Boussinesq 近似 湍流粘性 假定,基本近似和假定, , z(p),主要次网格物理参数化过程,短波辐射穿透 湍流混合 波浪、潮汐、内波混合 中尺度涡旋参数化过程 深对流和北大西洋溢出流参数化 水平粘性和

10、扩散 底边界混合,36,提 纲,气候数值模拟的特点及其意义 大气科学发展历史回顾 数值模式发展历史 课程整体介绍 课程设计目的和意义 基础理论部分 模式设计初步 模式典型应用 上机实习 小结,主要次网格物理参数化过程,短波辐射穿透 湍流混合 波浪、潮汐、内波混合 中尺度涡旋参数化过程 深对流和北大西洋溢出流参数化 水平粘性和扩散 底边界混合,38,第三部分 典型问题模拟 10. ENSO的数值模拟 11. 印度尼西亚贯穿流的模拟 12. 全球变暖的检测、归因和模拟,8月份北冰洋海冰范围的逐年变化 (1979-2013),每10年减少10.6%.,观测和模拟的9月份北冰洋海冰范围,Stroeve

11、等(2007),Arctic sea ice decline: faster than projections,El Nio：年际气候变异；海气耦合模式有一定预测能力. 全球变暖：人类活动引起的长期气候变化；可通过气候系统模式对“外强迫”的响应来研究.,两类气候问题及其模拟,气候系统：多圈层相互作用；外强迫,海气相互作用不可忽略.,CO2,-Taylor et al., 2012,国际竞争的平台：耦合模式比较计划(CMIP)和IPCC,1990,1995,2001,2007,2013,www.ipcc.ch,和第二、第三工作组一道，IPCC 第一工作组自1990年以来 已发布五次科学评估报告,

12、LASG模式结果被历次IPCC评估报告引用,提 纲,气候数值模拟的特点及其意义 大气科学发展历史回顾 数值模式发展历史 课程整体介绍 课程设计目的和意义 基础理论部分 模式设计初步 模式典型应用 上机实习 小结,提 纲,气候数值模拟的特点及其意义 大气科学发展历史回顾 数值模式发展历史 课程整体介绍 课程设计目的和意义 基础理论部分 模式设计初步 模式典型应用 上机实习 小结,上机实习,计算机硬件和软件要求： 提供模式软件包及其说明 根据要求安装模式、进行数值试验并分析模拟结果 时间安排：第7-12周（周五1-2节）,小 结,关注与气候有关的海洋现象 海洋模式，海气耦合模式 学习模式也需要了解观测和理论 本课程的内容和目的,本课程要求的基础知识： 动力气象或物理海洋 偏微分方程数值解,授课教师： 俞永强 刘海龙 周天军 ,郑伟鹏 林鹏飞 ,期中作业及其考试：,期中作业：上机实习（30%） 期末考试：闭卷（70%）, 热带太平洋海温距平 / 北极海冰的减少趋势 /,两个与气候有关的海气