渤海冰-海洋耦合模式 I.模式和参数研究

在国内外冰-海洋耦合模式研究基础上,根据渤海水文、气象和冰情特点,以国家海洋环境预报中心的渤海海冰预报模式和POM海洋模式为基础,开发了一个冰-海洋耦合模式.在该耦合模式中,冰和海洋之间的动量和热量交换是双向的,冰厚和冰密集度的变化不仅由冰表面和冰底的热收支决定,还由开阔水的表面热收支决定.侧重阐述了耦合模式的动力和热力学过程的耦合,并对模式中一些热力参数进行了讨论.

POM 模式边界条件的数值试验及其在环台湾岛海域风生流模拟中的应用

通过一个数值试验，对运用 POM 模式做风生流模拟时边界条件的选取方案做了初步的讨论。试验表明，POM"外模式"采用辐射边条件、"内模式"采用辐射方案的改进形式是一种可行的方法；如果用水位作为控制条件，也可以使用辐射边条件。文章同时给出了环台湾岛海域冬、夏风季生流的模拟结果。

基于“神威·太湖之光”的区域海洋模式并行优化

海洋模式作为地球数值模拟中重要的组成模块,在很多领域都起到了至关重要的作用,不仅是研究海洋、河口和海岸不可或缺的科研手段,基于海洋模式搭建的预报系统还能够实时预测台风、海啸等现象.为了模拟更细粒度的海洋变化,海洋模式朝着更高的分辨率和更多的物理参数化方案发展,一般的计算机已无法满足其需求.随着散热和功耗成为通用处理器的主要瓶颈,多核、众核以及由此导致的异构已成为下一代超级计算机的发展趋势,这也为发展高分辨率海洋模式提供了坚实的基础平台.基于国产超级计算机“神威·太湖之光”,利用其异构众核体系结构的优势对普林斯顿海洋模式(Princeton ocean model, POM)进行移植和优化,从而充分发挥了国产异构众核平台的特点和优势.基于神威的高分辨率海洋模式swPOM(Sunway Princeton ocean model)在主从核协作下运行效率达到纯主核的13倍,是通用Intel平台的2.8倍左右,可扩展到25万核上运行,为实时预报系统提供了保障.

基于POM的全球M_(2)正压潮数值模拟

普林斯顿海洋模型(POM)是应用较为广泛的区域海洋数值模型,但在全球潮汐数值模拟中的适用性尚待检验。本研究将三极网格和潮汐势引入POM中,对包含北极点的海洋潮波问题进行模拟,并建立水平分辨率1°×1°的全球大洋潮波数值模型,对全球M_(2)正压潮波进行数值模拟。模拟结果显示,太平洋存在5个M_(2)分潮无潮点,大西洋存在4个M_(2)分潮无潮点,印度洋存在3个M_(2)分潮无潮点,北冰洋存在2个M_(2)分潮无潮点;总体来看,大洋M_(2)分潮振幅小于近岸振幅,赤道太平洋海域出现2个M_(2)分潮的高振幅区,北冰洋与其他三大洋相比振幅最小。POM模拟结果与TPXO7.2全球潮汐同化模型结果基本一致,两者振幅均方根误差为5.6 cm,迟角均方根误差为10.0°,振幅的平均相对误差为12.5%;POM模拟结果与全球潮汐常数(GTCs)数据集对比,两者振幅均方根误差为21.4 cm,迟角的均方根误差为29.1°,振幅的平均相对误差为25.1%。表明所构建的POM全球大洋潮波模型能够较为准确地模拟全球潮波,得到全球潮汐的分布特征,为POM应用于其他全球海洋动力过程研究提供借鉴和参考。

海洋潮流能资源的数值估算——以胶州湾口为例

在回顾国际上现有的潮流能资源估算方案基础上,提出利用三维潮流数值模式估算潮流能的思路,并在胶州湾进行了应用。基于普林斯顿海洋模式,建立了胶州湾潮汐潮流三维数值预报模型,对研究海区的潮汐和潮流做出了较为准确的模拟。数值模拟得到的胶州湾口最大可能潮流速度为2m/s,具有一定的潮流能开发潜力;湾口水道上多年平均潮流能蕴藏量为16MW,大潮期间的瞬时值和大潮周日平均值可分别达135和49MW.潮流资料时间序列的长度对潮流能储量的计算结果有较大影响。由于潮流现象具有强烈的时变性和多种周期,估算潮流能的平均储量应积累一年以上的资料为宜。研究表明,潮流数值模式能够提供高时空分辨率的三维潮流数据,有效弥补潮流实测资料稀缺的不足,因而可作为潮流能资源评价的有力工具。

南海TOPEX海面高度资料的混合同化试验

应用普林斯顿海洋模式(POM)，对冬季南海由TOPEX/Poseidon得到的卫星遥感海面高度资料进行混合(blending)同化试验。混合同化的权重系数由以下两者决定：南海POM模式对冬季风强迫产生响应的海面高度场之标准方差；对应期间TOPEX海面高度资料的标准方差。同化结果表明，混合同化方法不失为一种简单而又有效的同化方案。同化得到的南海环流结构与未同化的模式响应场比较可以发现：海面高度资料的同化试验能够有效地修正南海环流的若干大尺度特征，特别是对冬季黑潮入侵南海东北部的动力过程，同化结果有了更准确的描述。同时，另一个重要的修正表现在：同化试验中瞬变的中等尺度涡旋得到加强，体现了南海海洋天气尺度涡被资料同化所“唤醒”(trigger)。这种“唤醒”不仅明显地反映在表层环流场中，对南海次表层动力、热盐结构也有一定的影响。

黄海绿潮应急溯源数值模拟初步研究

基于三维全动力POM海洋模式,根据2008年6月1日海监飞机监测绿潮所在位置,采用拉格朗日粒子追踪法反向积分,追溯绿潮来源。数值模拟结果显示,回溯至5月中旬,绿潮主要来源于黄海南部江苏连云港和盐城近海海域。黄海绿潮溯源数值模拟,为政府相关部门了解绿潮的源头,并采取相应的措施提供依据,进而为保护生态环境、防灾减灾做贡献。

环台湾岛海域半日潮波特征的三维模拟

用 1 997版POM海洋模式 ,首次应用于环台湾岛海域的潮波数值研究 .得到该海域的半日潮波主要为 2 3°N以南西太平洋传来的胁振潮 .影响台湾海峡的半日潮波分别由海峡南北口传入的两支潮波 ,且北支强于南支 .福建沿岸湄州湾—兴化湾为最强潮区 ,其M2 分潮最大振幅可达 2 40cm .最强潮流区位于澎湖水道 ,M2 分潮最大潮流达 1 96cm/s.环台湾岛海域潮波潮流水平结构上除海峡北部原有一个圆流点外 ,还发现另外存在 4个新的圆流点 .潮流垂直结构上主要为右偏 ,接近底层处为左偏 .

南海海面高度季节变化的数值模拟

比较POM模式模拟与观测 (TOPEX/Poseidon高度计资料 )的南海海面高度(SSH)的季节变化在空间分布上的一致性和差异 .结果表明 :本文使用的POM模式能较好地模拟南海SSH的季节变化 ;冬季与夏季 ,春季与秋季南海海面异常场形式完全相反 ,冬季Ekman输运造成在西海岸的堆积要比夏季在东海岸堆积更明显 ,而吕宋冷涡中心附近和吕宋海峡海面季节变化振幅最大 ;除春季以外 ,在南海绝大部分海域 ,海面高度的季节变化主要受风力的控制 ,南海海面热量通量对SSH的季节变化贡献约为 2 0 % ,风应力对SSH的季节变化的贡献约为 80 % .

南海表层环流和热结构特征的数值模拟与影响因素分析

采用普林斯顿海洋模式,在真实的地形数据、计算区域右边界上半部分设为开边界的条件下,对南中国海98°-126°E,3°S-26°N的范围进行了环流和温度结构的模拟。模拟从静止的海洋开始,以1月份的月平均温盐数据为初始场,在12个不同的月平均风场驱动下,模式稳定地模拟了4个模式年。从第3年开始进行数据分析。首先从数值模拟的角度给出了南海表层环流和热结构的时空演变过程,继而详细分析了气候和环境因素的影响。结果表明:冬季南海主要被一个大的气旋式环流占据,夏季主要呈大的反气旋式环流。春季和秋季是季风转换季节,南海环流在受到上一个季节影响的同时也向下一个季节的典型流态转换,并由多个涡旋组成。此外,气候和环境条件的设置,都会影响到南海的环流和热结构特征。

夏季长江冲淡水转向机制的数值试验

利用普林斯顿海洋环流模式 (POM) ,通过一系列的理想试验 ,探讨了夏季长江冲淡水的扩展机制。结果表明 :( 1 )倾斜底形是夏季长江冲淡水向东北偏转的一个必要条件 ;夏季冲淡水向东北偏转是南风、斜压效应和底形的共同作用的结果 ,其中风应力和底形的相互作用占主导地位 ;单纯的底形东倾不能使冲淡水向北偏转。平底时 ,南风和淡水浮力强迫都不能使冲淡水向北偏转。 ( 2 )无风时 ,入海淡水可以在河口附近强迫出一个反气旋涡旋和贴岸南下的狭窄的沿岸流 ,反气旋涡旋与淡水浮力强迫 (斜压效应 )有关 ,南下沿岸流则与质量输入有关 ;平底时 ,反气旋涡旋位于河口正东 ,倾斜底形时 ,反气旋涡旋向北拉伸 ,冲淡水的一部分沿岸向北扩展 ;入海淡水在河口附近强迫出一个闭合的垂直环流圈 :上层为离岸流 ,淡水向外海扩展 ,约在离岸 30— 45km处有下降流 ;低层有高盐水沿海底流向河口 ,约在离河口 1 0km处与向海的径流相遇 。

渤海、黄海、东海冬季环流的数值模拟

在POM的基础上,建立一个σ坐标系下三维斜压预报模式,利用经过资料同化处理的周平均卫星遥感海面温度资料,考虑海底地形、外海出入流、海面风应力等因素的影响,较好的模拟了冬季渤、黄、东海环流的情况。

南海及邻近海区海况季节变化的模拟

文中使用改进的美国普林斯顿大学区域海洋环流模式 (POM)对南海及邻近海区海况季节变化特征进行了数值模拟 ,所得的主要结果与海洋观测及已有的一些研究结果相吻合。模拟结果表明 :1～ 1 2月 ,黑潮南海分支是南海北部的一支重要海流 ;黑潮右侧的大尺度反气旋性暖涡全年都存在。在所模拟的海区中 ,南海海区表层海流受季风影响最大 ,季节变化最明显示。改进的 POM对海温的季节变化特征也有较好的模拟能力 ,能再现西南季风爆发前后 ,南海及邻近海区表层海温的突增和暖水区的北推过程 ,以及东北季风开始前后 ,海温的下降过程。这为以后发展区域海气耦合模式奠定了基础。

黑潮对环台湾岛海域温跃层影响的数值研究

利用９７版ＰＯＭ海洋模式，本文分别对有、无黑潮影响环台湾岛海域三维温度结构进行数值计算，经对比分析得出，由于黑潮的流入，致使整个海域次表层冬季平均水温比无黑潮影响时提高了５～６℃。黑潮对台湾岛东部深水区的大洋跃层有决定性作用，并对台湾海峡及其南部浅水区的季节性温跃居的强度有一定影响．

降低水平压力梯度误差的方法比较

由于坐标变换的关系,σ坐标海洋模式在处理陡峭地形时会产生较大的水平压力梯度误差。为减少水平压力梯度误差,前人提出了一系列改进的方法,这些方法可分为减去平均密度法、平滑地形法、网格变换法和水平压力梯度计算方程变换法4类。水平压力梯度计算方程变换法又可分为密度雅克比法、高阶精度法、有限体积法和转换到z坐标下计算水平压力梯度法。利用POM模式模拟理想海山来比较标准密度雅克比法、线性插值到z坐标法、四阶精度插值法、三次方多项式拟合法和权重密度雅克比法在计算水平压力梯度中出现的误差。模式初始时垂向分成,水平均匀,外模时间步长为12 s,内模时间步长为360 s,计算时间为360 d。从最大流速误差的结果可以看出,标准密度雅克比法得到的最大流速误差为0.45 m/s左右;线性插值到z坐标法得到的最大流速误差达到0.7 m/s;四阶精度方法计算得到的最大流速误差为0.3 m/s;权重密度雅克比方法和三次方多项式拟合法计算得到的最大流速误差相差不大,都只有0.2 m/s左右。标准密度雅克比法计算得到的单位质量平均动能最大,为9×10-4m2/s2;四阶精度方法和线性插值到z坐标方法计算得到的单位质量平均动能差不多,为3×10-4m2/s2;三次方多项式拟合法计算得到的单位质量平均动能为1.9×10-4m2/s2;权重密度雅克比方法计算得到的单位质量平均动能最小,仅为1×10-4m2/s2。标准密度雅克比法的计算耗时最短,为294 min;与其相比,三次方多项式拟合法的计算耗时增加了5.9%;权重密度雅克比法的计算耗时增加了8.8%;四阶精度插值法的计算耗时增加了23.6%。线性插值到z坐标法的计算耗时最长,需要384.5 min,相对于标准密度雅克比法的计算耗时增加了30.6%。因此,综合最大流速误差、平均动能和计算耗时的结果可知,线性插值到z坐标法的计算结果相对较差,采用权重密度雅克比法能较好地降低水平压力梯度误差。

夏季南黄海风漂流的不同计算方法的对比分析

分别用Ekman有限深海风漂流计算公式,普林斯顿海洋模式(POM)数值计算了南黄海风漂流。通过对这两种方法的计算结果的时比分析得出:在水深较小时,模式计算的风漂流场与公式计算结果较为接近;而在水深较大时公式计算所得风漂流场与实际流场相差较大,模式计算的风漂流场则基本再现了夏季南黄海的环流结构;风速越大,两种计算方法所得的流场之间的差别越大。同时从数值试验的角度还得到夏季由于风速普遍偏小,风场对环流结构的影响都相对较小,热盐效应是控制夏季环流的主导因素。但当风速增大到一定程度时,环流结构会发生根本改变。

斯里兰卡近岸风暴潮模拟中风暴潮-潮汐相互作用特征分析:一个个例研究（英文）

利用三维普林斯顿海洋模型(POM)以及逐时水位观测数据,研究印度洋北部斯里兰卡北部海岸风暴潮-潮汐相互作用特征.选择了2008年的"Nisha"台风作为台风风暴潮个例进行研究,并进行了3个数值敏感性试验.经验证,该风暴潮模型可以很好地再现该台风期间研究区域内的潮汐和总海水水位.试验结果表明,沿斯里兰卡西北海岸的风暴潮-潮汐相互作用显著,其强度与台风的强度和轨迹相关.当TC在42 h达到较大强度时,可以得到风暴潮-潮汐相互作用导致的最大增水值TSI(0.6 m)和从印度洋外海向斯里兰卡西北部浅滩流入的最大相互作用流场.在TC强度较弱的第30小时,得到最大负TSI(-0.6 m)和向南流出西北部浅水区域的较弱的相互作用流场.在整个台风期间,强TSI都发生在斯里兰卡西北部海滩到对岸的印度洋近岸区域.

天津港邻近海域精密潮汐模型的构建

基于POM模式的"blending"同化法,构建了天津港及附近海域分辨率为1'×1'、13个主分潮的精密潮汐模型。构建过程中重点关注水深数据格网化与潮汐模型的精度评估。水深数据格网化过程基于尽量扩大覆盖范围、分辨率与水深数据相匹配以及保持岸线形状基本不变等原则。潮汐数值模拟过程采用分批同化T/P点与验潮站,实现对潮汐模型精度的可靠评估。经估计,在天津港附近的9个主分潮RSS在10cm内。