(海洋科学概论课件）诸论

1、LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟( (海洋科学概论课件）诸海洋科学概论课件）诸论论LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟“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。变化的基础，是支撑气候相关决策的重要工具。未来二十年，美国气候模拟未来二十年，美国气候模拟事业必须

2、快速发展以适应国家需求、保持国际竞争力。事业必须快速发展以适应国家需求、保持国际竞争力。” - - 引自引自推动气候模拟的美国国家战略推动气候模拟的美国国家战略美国橡树岭国家实验室Gaea气候研究超级计算机气候模式研发是国际竞争的前沿LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟提 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小结LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟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

3、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LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟提 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小结LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟为什么要进行数值模拟（预测）？ 科学研究必须定量 定量研究最好建立在坚实的数学物理基础上，而且应该

4、具有普适性 描述大气和海洋运动的流体力学方程组无法得到精确解析解 简化N-S方程组：得到特定条件下的近似解 利用原始方程组：得到数值解LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟大气和海洋科学的主要研究手段 (From Stewart, 2004)LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟数值模拟是针对所研究的数值模拟是针对所研究的复复杂性科学问题杂性科学问题，建立，建立数学模数学模型型,利用利用高性能高性能计算机计算机进进行行大大规模科学计算规模科学计算的研究手段的研究手段.数数值模拟的出现使得大气和海值模拟的出现使得大气和海洋科学成为一门洋科学成为一门“可实验可实

5、验”的的科学科学.LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟数值天气预报的先驱LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Richardson预报工厂想象图LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟第一台电子计算机与天气预报ANIAC: 150吨，5000次秒2424小时小时500hPa500hPa高度和涡度预报高度和涡度预报图（图（Charney et al 1950Charney et al 1950）LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟过去半个世纪预报技巧显著提高LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟气候模式发

6、展历史LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟天气预报模式与气候模式异同点 相同点：相同点：控制方程、动力框架、参数化过控制方程、动力框架、参数化过程、数值算法大致相同程、数值算法大致相同 区别：区别：大气大气 vs vs 地球系统地球系统中短期预报中短期预报 vs vs 气候预测、预估和机理研究气候预测、预估和机理研究 未来发展趋势：未来发展趋势：天气气候模式一体化天气气候模式一体化LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟提 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小

7、结LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟课程特点 以以LASGLASG国家重点实验室研制的海洋模式及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其耦合模式为例，讲授气候模式的基本概念、研制过程和应用举例念、研制过程和应用举例 任课教师多年来一直从事模式研制或者应任课教师多年来一直从事模式研制或者应用研究用研究 不求面面俱到，不求面面俱到，“重点突出、自成体系重点突出、自成体系”！LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟海洋环流和海气相互作用的意义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

8、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LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟课堂讲解与自学结合主要参考书LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟本课程涉及的三个方面：1. 基础知识2. 模式原理3. 典型问题模拟目的：了解和正确使用模式LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟提 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小结LASG/IAP/CAS大洋

9、环流和海气相互作用的数值模拟第一部分 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LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟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

10、难LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟海洋和大气密度垂直变化的对比 z (m) (Kg/m3)01025-10001032-20001037-30001042-40001046z (m) (Kg/m3)90000.46655000.69730000.90910001.11201.2251976 Standard AtmosphereB & C (1972)OceanAtmosphereLASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟提 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

11、用小结LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟第二部分 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LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟 静力平衡 近似 Boussinesq 近似 湍流粘性 假定gzputu uxv uyw uzuuxvuywuz基本近似和假定LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟, , z(p)LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟主要次网格物理参数化过程 短波辐射穿透短波辐射穿透 湍流混合湍流混合 波浪、潮汐、内波混合波浪、潮汐、内波混合 中尺度涡旋参数化过程中尺度涡

12、旋参数化过程 深对流和北大西洋溢出流参数化深对流和北大西洋溢出流参数化 水平粘性和扩散水平粘性和扩散 底边界混合底边界混合31LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟提 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小结LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟主要次网格物理参数化过程 短波辐射穿透短波辐射穿透 湍流混合湍流混合 波浪、潮汐、内波混合波浪、潮汐、内波混合 中尺度涡旋参数化过程中尺度涡旋参数化过程 深对流和北大西洋溢出流参数化深对流和北大西洋溢出流参数化 水平粘性

13、和扩散水平粘性和扩散 底边界混合底边界混合33LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟第三部分 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LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟 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相互作用现象LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Based on 1981-2010 climatol

14、ogy (changed every 5 years)LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟- Bellenger et al., 2014, Clim. Dyn.原版本FGOALS1新版本FGOALS2较原版本改进显著是国际上对ENSO模拟性能最好的模式之一ENSO评估指标:红色越深与观测偏差越大蓝色越深与观测越接近LASG/IAP/CAS大洋环流和海气

15、相互作用的数值模拟2013年8月北冰洋海冰范围：6.1106km2LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟8月份北冰洋海冰范围的逐年变化 (1979-2013)每10年减少10.6%.LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟观测和模拟的9月份北冰洋海冰范围Stroeve等(2007)Arctic sea ice decline: faster than projectionsLASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟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

16、究.两类气候问题及其模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟气候系统：多圈层相互作用；外强迫海气相互作用不可忽略.CO2LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟联合国UNESCO联合国教科文组织WMO世界气象组织UNEP联合国环境规划署IOC政府间海洋委员会IPCC政府间气候变化专门委员会ICSU国际科学理事会WCRP 世界气候研究计划气候研究界CMIP耦合模式比较计划WGCM耦合模式工作组各国气候模式研发中心-Taylor et al., 2012国际竞争的平台：耦合模式比较计划(CMIP)和IPCCLASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟19901995200120072013www.ipcc.ch和第二、第三工作组一道，和第二、第三工作组一道，IPCC 第一工作组自第一工作组自1990年以来年以来已发布五次科学评估报告已发布五次科学评估报告LASG模式结果被历次IPCC评估报告引用LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟提 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小结LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互