(海洋科學(xué)概論課件）諸論

1、LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬( (海洋科學(xué)概論課件）諸海洋科學(xué)概論課件）諸論論LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬“氣候模式是人類發(fā)展的最為復(fù)雜的模擬工具之一，是理解和預(yù)測氣候及其氣候模式是人類發(fā)展的最為復(fù)雜的模擬工具之一，是理解和預(yù)測氣候及其變化的基礎(chǔ)，是支撐氣候相關(guān)決策的重要工具。變化的基礎(chǔ)，是支撐氣候相關(guān)決策的重要工具。未來二十年，美國氣候模擬未來二十年，美國氣候模擬事業(yè)必須

2、快速發(fā)展以適應(yīng)國家需求、保持國際競爭力。事業(yè)必須快速發(fā)展以適應(yīng)國家需求、保持國際競爭力?！?- - 引自引自推動氣候模擬的美國國家戰(zhàn)略推動氣候模擬的美國國家戰(zhàn)略美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室Gaea氣候研究超級計(jì)算機(jī)氣候模式研發(fā)是國際競爭的前沿LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬提 綱 氣候數(shù)值模擬的特點(diǎn)及其意義大氣科學(xué)發(fā)展歷史回顧數(shù)值模式發(fā)展歷史 課程整體介紹課程設(shè)計(jì)目的和意義基礎(chǔ)理論部分模式設(shè)計(jì)初步模式典型應(yīng)用小結(jié)LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬大氣科學(xué)發(fā)展史回顧 1617世紀(jì)開始出現(xiàn)儀器觀測 20世紀(jì)初鋒面、氣團(tuán)學(xué)說 1940s，高空氣象觀測和長波理論建

3、立 1950s，衛(wèi)星觀測、數(shù)值預(yù)報(bào) 1960s，海氣相互作用、氣候數(shù)值模式 1970s, 氣候系統(tǒng)概念，海氣耦合氣候模式 1980s, 全球變化研究，ENSO預(yù)測 1990s, 從物理氣候系統(tǒng)到地球系統(tǒng) 2000s, 氣候變化研究：機(jī)理、影響、適應(yīng)LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬提 綱 氣候數(shù)值模擬的特點(diǎn)及其意義大氣科學(xué)發(fā)展歷史回顧數(shù)值模式發(fā)展歷史 課程整體介紹課程設(shè)計(jì)目的和意義基礎(chǔ)理論部分模式設(shè)計(jì)初步模式典型應(yīng)用小結(jié)LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬為什么要進(jìn)行數(shù)值模擬（預(yù)測）？ 科學(xué)研究必須定量 定量研究最好建立在堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)上，而且應(yīng)該

4、具有普適性 描述大氣和海洋運(yùn)動的流體力學(xué)方程組無法得到精確解析解 簡化N-S方程組：得到特定條件下的近似解 利用原始方程組：得到數(shù)值解LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬大氣和海洋科學(xué)的主要研究手段 (From Stewart, 2004)LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬數(shù)值模擬是針對所研究的數(shù)值模擬是針對所研究的復(fù)復(fù)雜性科學(xué)問題雜性科學(xué)問題，建立，建立數(shù)學(xué)模數(shù)學(xué)模型型,利用利用高性能高性能計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)進(jìn)進(jìn)行行大大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算的研究手段的研究手段.數(shù)數(shù)值模擬的出現(xiàn)使得大氣和海值模擬的出現(xiàn)使得大氣和海洋科學(xué)成為一門洋科學(xué)成為一門“可實(shí)驗(yàn)可實(shí)

5、驗(yàn)”的的科學(xué)科學(xué).LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的先驅(qū)LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬Richardson預(yù)報(bào)工廠想象圖LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬第一臺電子計(jì)算機(jī)與天氣預(yù)報(bào)ANIAC: 150噸，5000次秒2424小時小時500hPa500hPa高度和渦度預(yù)報(bào)高度和渦度預(yù)報(bào)圖（圖（Charney et al 1950Charney et al 1950）LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬過去半個世紀(jì)預(yù)報(bào)技巧顯著提高LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬氣候模式發(fā)

6、展歷史LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬天氣預(yù)報(bào)模式與氣候模式異同點(diǎn) 相同點(diǎn)：相同點(diǎn)：控制方程、動力框架、參數(shù)化過控制方程、動力框架、參數(shù)化過程、數(shù)值算法大致相同程、數(shù)值算法大致相同 區(qū)別：區(qū)別：大氣大氣 vs vs 地球系統(tǒng)地球系統(tǒng)中短期預(yù)報(bào)中短期預(yù)報(bào) vs vs 氣候預(yù)測、預(yù)估和機(jī)理研究氣候預(yù)測、預(yù)估和機(jī)理研究 未來發(fā)展趨勢：未來發(fā)展趨勢：天氣氣候模式一體化天氣氣候模式一體化LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬提 綱 氣候數(shù)值模擬的特點(diǎn)及其意義大氣科學(xué)發(fā)展歷史回顧數(shù)值模式發(fā)展歷史 課程整體介紹課程設(shè)計(jì)目的和意義基礎(chǔ)理論部分模式設(shè)計(jì)初步模式典型應(yīng)用小

7、結(jié)LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬課程特點(diǎn) 以以LASGLASG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的海洋模式及國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的海洋模式及其耦合模式為例，講授氣候模式的基本概其耦合模式為例，講授氣候模式的基本概念、研制過程和應(yīng)用舉例念、研制過程和應(yīng)用舉例 任課教師多年來一直從事模式研制或者應(yīng)任課教師多年來一直從事模式研制或者應(yīng)用研究用研究 不求面面俱到，不求面面俱到，“重點(diǎn)突出、自成體系重點(diǎn)突出、自成體系”！LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬海洋環(huán)流和海氣相互作用的意義海洋環(huán)流和海氣相互作用的意義 地球科學(xué)發(fā)展趨勢：圈層相互作用和學(xué)科交叉 大氣圈的24周以上的長

8、時間尺度變率都與下墊面的相互作用有關(guān) 海洋和大氣是地球系統(tǒng)中最為活躍、關(guān)系最為密切的兩個圈層 海氣相互作用是地球科學(xué)研究中最活躍的學(xué)科前沿之一LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬課堂講解與自學(xué)結(jié)合主要參考書LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬本課程涉及的三個方面：1. 基礎(chǔ)知識2. 模式原理3. 典型問題模擬目的：了解和正確使用模式LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬提 綱 氣候數(shù)值模擬的特點(diǎn)及其意義大氣科學(xué)發(fā)展歷史回顧數(shù)值模式發(fā)展歷史 課程整體介紹課程設(shè)計(jì)目的和意義基礎(chǔ)理論部分模式設(shè)計(jì)初步模式典型應(yīng)用小結(jié)LASG/IAP/CAS大洋

9、環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬第一部分 基礎(chǔ)知識1. 熱帶太平洋環(huán)流的初步知識2. 風(fēng)生環(huán)流3. 風(fēng)應(yīng)力,熱通量,淡水通量4. 云對海氣相互作用的影響5. 中高緯度海氣相互作用6. 大洋經(jīng)圈翻轉(zhuǎn)環(huán)流LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬海洋和大氣的異同點(diǎn) 控制方程都是N-S方程，但是密度、比熱、耗散系數(shù)等不一樣 對于大尺度環(huán)流，都可以采用靜力近似，但是海洋采用Bossinique近似，大氣不用 大氣考慮水汽方程，海洋考慮鹽度方程 大氣動能主要來自下墊面加熱，海洋則主要來自風(fēng)應(yīng)力、潮汐、波浪等機(jī)械能輸入 海水相變發(fā)生在海氣界面上，大氣水汽相變過程可以發(fā)生在任何地點(diǎn) 海洋觀測非常困

10、難LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬海洋和大氣密度垂直變化的對比 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大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬提 綱 氣候數(shù)值模擬的特點(diǎn)及其意義大氣科學(xué)發(fā)展歷史回顧數(shù)值模式發(fā)展歷史 課程整體介紹課程設(shè)計(jì)目的和意義基礎(chǔ)理論部分模式設(shè)計(jì)初步模式典型應(yīng)

11、用小結(jié)LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬第二部分 模式原理7. 大洋環(huán)流模式原理8. 海洋模式的物理參數(shù)化9. 海冰及其數(shù)值模擬LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬 靜力平衡 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大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬, , z(p)LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬主要次網(wǎng)格物理參數(shù)化過程 短波輻射穿透短波輻射穿透 湍流混合湍流混合 波浪、潮汐、內(nèi)波混合波浪、潮汐、內(nèi)波混合 中尺度渦旋參數(shù)化過程中尺度渦

12、旋參數(shù)化過程 深對流和北大西洋溢出流參數(shù)化深對流和北大西洋溢出流參數(shù)化 水平粘性和擴(kuò)散水平粘性和擴(kuò)散 底邊界混合底邊界混合31LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬提 綱 氣候數(shù)值模擬的特點(diǎn)及其意義大氣科學(xué)發(fā)展歷史回顧數(shù)值模式發(fā)展歷史 課程整體介紹課程設(shè)計(jì)目的和意義基礎(chǔ)理論部分模式設(shè)計(jì)初步模式典型應(yīng)用小結(jié)LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬主要次網(wǎng)格物理參數(shù)化過程 短波輻射穿透短波輻射穿透 湍流混合湍流混合 波浪、潮汐、內(nèi)波混合波浪、潮汐、內(nèi)波混合 中尺度渦旋參數(shù)化過程中尺度渦旋參數(shù)化過程 深對流和北大西洋溢出流參數(shù)化深對流和北大西洋溢出流參數(shù)化 水平粘性

13、和擴(kuò)散水平粘性和擴(kuò)散 底邊界混合底邊界混合33LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬第三部分 典型問題模擬10. ENSO的數(shù)值模擬11. 印度尼西亞貫穿流的模擬12. 全球變暖的檢測、歸因和模擬LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬 熱帶太平洋海溫距平 / 北極海冰的減少趨勢 /兩個與氣候有關(guān)的海氣相互作用現(xiàn)象LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬Based on 1981-2010 climatol

14、ogy (changed every 5 years)LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬- Bellenger et al., 2014, Clim. Dyn.原版本FGOALS1新版本FGOALS2較原版本改進(jìn)顯著是國際上對ENSO模擬性能最好的模式之一ENSO評估指標(biāo):紅色越深與觀測偏差越大藍(lán)色越深與觀測越接近LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣

15、相互作用的數(shù)值模擬2013年8月北冰洋海冰范圍：6.1106km2LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬8月份北冰洋海冰范圍的逐年變化 (1979-2013)每10年減少10.6%.LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬觀測和模擬的9月份北冰洋海冰范圍Stroeve等(2007)Arctic sea ice decline: faster than projectionsLASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬El Nio：年際氣候變異；海氣耦合模式有一定預(yù)測能力.全球變暖：人類活動引起的長期氣候變化；可通過氣候系統(tǒng)模式對“外強(qiáng)迫”的響應(yīng)來研

16、究.兩類氣候問題及其模擬LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬氣候系統(tǒng)：多圈層相互作用；外強(qiáng)迫海氣相互作用不可忽略.CO2LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬聯(lián)合國UNESCO聯(lián)合國教科文組織WMO世界氣象組織UNEP聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署IOC政府間海洋委員會IPCC政府間氣候變化專門委員會ICSU國際科學(xué)理事會WCRP 世界氣候研究計(jì)劃氣候研究界CMIP耦合模式比較計(jì)劃WGCM耦合模式工作組各國氣候模式研發(fā)中心-Taylor et al., 2012國際競爭的平臺：耦合模式比較計(jì)劃(CMIP)和IPCCLASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬19901995200120072013www.ipcc.ch和第二、第三工作組一道，和第二、第三工作組一道，IPCC 第一工作組自第一工作組自1990年以來年以來已發(fā)布五次科學(xué)評估報(bào)告已發(fā)布五次科學(xué)評估報(bào)告LASG模式結(jié)果被歷次IPCC評估報(bào)告引用LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互作用的數(shù)值模擬提 綱 氣候數(shù)值模擬的特點(diǎn)及其意義大氣科學(xué)發(fā)展歷史回顧數(shù)值模式發(fā)展歷史 課程整體介紹課程設(shè)計(jì)目的和意義基礎(chǔ)理論部分模式設(shè)計(jì)初步模式典型應(yīng)用小結(jié)LASG/IAP/CAS大洋環(huán)流和海氣相互