利用ARGO资料改进海洋资料同化和海洋模式中的物理过程

国际ARGO计划的实施每年将可提供多达 10万个剖面 (0～ 2 0 0 0m水深 )的海水温度和盐度资料 ,这些资料的获取无疑将会大大促进海洋和大气科学的发展 ,使人们加深对海洋过程的了解 ,揭示海 气相互作用的机理 ,为长期天气预报和短期气候预测提供模式初始场 ,提高长期天气预报和短期气候预测的能力。如何利用这些资料开展研究工作以及在实际业务中应用这些资料是目前大气和海洋科学界的一个前沿课题。本研究将ARGO浮标资料引入了国家气候中心的NCC GODAS同化系统 ,结果分析表明 ,同化ARGO资料后所得到的海温场在三大洋中不仅在温度数值的大小 ,而且在分布形式方面都与观测场具有较好的一致性 ,可以很好地反映出观测到的冬季和夏季海温的分布形式以及海温的季节变化特征和异常特征。本研究还应用最新的ARGO海洋观测资料 ,通过建立新的热带西太平洋次表层海温参数化方案 ,改进了Zebiak Cane(1987)海洋模式 (ZC模式 ) ,克服了ZC模式几乎没有模拟赤道西太平洋表层和次表层海温变化能力的缺陷。在ZC模式中引用新的次表层海温参数化方案后 ,在赤道西太平洋不仅次表层海温的模拟得到了改善 ,对海面温度异常的模拟也有了较大的改进 ,不仅模拟出了赤道西太平洋表层和次表层海温异常的年际变化特征 。

任意正交曲线坐标系下的海洋模式动力框架的发展与评估

本文发展了一个可以适用于任意水平正交曲线坐标系的海洋模式动力框架,并将其应用于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的气候系统海洋模式LICOM2.0(LASG/IAP Climate system Ocean Model,version2.0)。在经纬网格坐标系下,新的动力框架与LICOM2.0原有的动力框架模拟结果完全一致。基于新的动力框架,海洋模式可采用能够准确描述北冰洋地形的三极网格,克服了LICOM2.0经纬网格版本必须将北极点处理为孤岛的缺陷,从而显著改进了模式对于北冰洋环流和北大西洋经圈翻转流函数(AMOC)的模拟能力。此外,引进三极网格还可以避免模式网格距随纬度增加而急剧减小带来的计算不稳定,在LICOM2.0的三极网格版本中,模式不需要采用任何空间滤波方案仍然能够保证计算的稳定性,从而与LICOM2.0的经纬网格版本相比,极大地提高了模式的并行效率,这一点在当水平分辨率提高到0.1度时表现得尤为明显,海洋模式的并行加速比可以从经纬网格版本的5.8左右提高到三极网格版本的15.0左右。

POP海洋模式在四核至强集群上的并行计算

分析了POP海洋模式原理、离散方法。在四核至强集群上,研究分析POP模式中计算局部块技术和平衡并行数据剖分及其对模式性能的影响。针对模式的通信性能瓶颈,采用聚合通信优化技术。研究结果表明局部块技术和数据剖分方式对于POP模式并行性能影响显著;通过通信聚合优化,POP模式在四核集群上性能获得明显提升。

预估修正法对河口海岸海洋模式稳定性的提高

河口海岸海洋模式时间差分为欧拉前差格式 ,在涡动粘滞系数较小的情况下 ,模式存在着弱不稳定性。为提高模式的稳定性 ,采用预估修正法对模式中科氏力项作半隐式处理。首先在理论上证明了模式稳定性的提高 ,随后设计一个高分辨率网格 ,考虑实际岸线和水深、边界通量、密度梯度力和风应力 ,把模式应用于冬季渤、黄、东海环流的数值模拟 ,数值试验也证明了模式稳定性的提高。改进后的河口海岸海洋模式较成功地模拟出了冬季渤、黄、东海环流 (黑潮、台湾暖流、对马暖流、黄海暖流和沿岸流 ) 。

σ坐标系海洋模式中水平压力梯度的一种算法

在有海底地形的海洋环流模式中．水平压力梯度的计算是一个困难的问题。在大陆架附近，海底地形变化很大．水平压力梯度的计算误差往往使计算不稳定．或者海流的计算结果不可信．美国普林斯顿大学的海洋模式（POM）在垂直方向采用σ座标系．这一问题尤为突出．POM水平压力梯度的计算方法为静力扣除法，此方法已有较高的精度．但作者对POM的数值计算方法进行分析后，发现该方法仍有可改进之处．以作者提出的有地形大气环流模式中水平压力梯度计算方法的原理为基础．设计了一种计算σ坐标系海洋环流模式中水平压力梯度的新方法．给出了详细的推导过程．利用POM对该方法进行了检验，并与POM的原方案作了对比．结果表明．由于提出的方法有明确的物理意义，故能有效地改进有地形海洋模式中水平压力梯度的计算精度．

LICOM3.0海洋模式中太平洋北赤道逆流的模拟偏差分析

本文用CORE-IAF(Coordinated Ocean-ice Reference Experiments–Interannual Forcing)外强迫场分别强迫LICOM3(LASG/IAP Climate System Ocean Model Version 3)和POP2(Parallel Ocean Program version 2)两个海洋模式,并分析了这两个模式中太平洋北赤道逆流(NECC)的模拟结果。我们发现LICOM3和POP2模拟的NECC强度均弱于实测,这和Sun et al.(2019)的研究结果一致,也进一步证明了海洋模式中NECC偏弱是CORE-IAF外强迫场造成的,海表风应力及对应的风应力旋度是海洋模式准确模拟NECC的最主要因子。同时,我们也分析了NECC的模拟在动力机制上的差别,这里的动力强迫项包括风应力项、平流项和余项。我们发现模式的外强迫场虽然相同,但是两个模式中各动力强迫项(风应力项、平流项和余项)对NECC模拟的影响并不完全相同。

海洋模式中Boussinesq近似误差讨论

根据全球增暖的特点,设计了一个理想的数值试验方案,用BoussinesqPOP海洋模式和改进的非BoussinesqPOP海洋模式定量讨论了Bousiinesq近似在海洋模式计算中的误差。结果发现,在只有热力驱动的热力环流背景下,由热膨胀引起的海平面上升在水平方向上是基本均匀的,在所给的初始边界条件下,这种由Boussinesq近似引起的最大海平面误差可以达到59%,在BoussinesqPOP模式中,热源中心处的海面高度要远小于由非Boussinesq模式计算的海面高度,而其周围有虚假的海面高度下降;在只有加热引起的热盐环流过程中,当模式作了Boussinesq假设以后,计算的经向和纬向垂直环流都会产生虚假的加强,虽然这种误差只是在1%左右;在Bousiinesq近似假定下,热量经向通量在赤道上垂直剖面的积分误差比质量经向通量在赤道上垂直剖面的积分误差大一个量级;非Boussinesq模式计算的气压梯度所做功的垂向分布在3000m以下是有波动的,而Boussinesq模式计算的气压梯度所做功的垂向分布在3000m以下基本上是均匀的,它的误差在10%以上。

六套海洋模式模拟热带西太平洋深层环流结果的对比分析

借助于六套海洋模式资料,本文初步分析了热带西太平洋深层环流的基本特征。与气候态数据集WOA13相比,水深3000m层除HYCOM以正温度偏差为主外,其余模式均为负温度偏差,且随着深度增加偏差幅度变大。盐度偏差方面,HYCOM和OFES以正偏差为主,其余模式以负偏差为主。温盐偏差在各个深海海盆中的时间变化趋势不尽相同,且与实际观测结果存在较大差异。水深1000—3000m以纬向东西向交替变化的射流为主。3000—5000m的纬向流速减小,形成海盆内环流,不同海盆之间可通过深水通道进行海水交换。3000m以深的关键深海通道的输运通量存在明显的季节变化,甚至不同季节流向也不一致,而海盆内的环流形态受制于位涡收支积分约束方程,进而也表征出季节变化的特征,即不同季节海盆内的环流主要旋转形态不同。在分析了初始温盐场、潮汐及其他要素对深海环流的影响后,本文为日后构建适合热带西太平洋深海环流研究的模式提供了建议。

非结构网格海洋模式在洞头人工渔礁区选址中的应用

应用一种非结构网格海洋模式(FVCOM)建立了洞头列岛及其临近海域的水动力数值模式,水平方向三角网格的采用使模型对大陆海洋线以及岛礁边界的拟合达到了很高精度。经流速、流向和潮位验证后,精度良好的模型被用于人工渔礁区选址的研究。以大潮底层最大流速和大潮底层平均流速为主要判别指标,结合海域地形和水深分布,选定了底层最大流速小于0.6 m/s、平均流速小于0.4 m/s的海域为适宜人工渔礁建设的礁区范围。

海洋模式对1995年5月南海AXBT海温资料的同化分析

利用美国普林斯顿大学海洋模式 (POM )对 1995年 5月南海AXBT海洋观测资料和MISST卫星观测的海面温度进行模式四维同化分析研究。POM模式同化处理使用最优插值分析与逼近方法 ,从模式积分到第 4年开始 ,使用COADS气候平均风应力场、净热通量场强迫海洋 ,从第 5年 5月开始加入 1995年 5月的MISST和AXBT资料同化积分 30d ,然后对同化结果进行分析。结果表明 ,资料同化可以改进模式对温度场的预报 ,也可改进模式对海流的模拟。分析结果还显示 ,1995年

赤道两层海洋模式中基本流的切变不稳定性

设计了一个热带赤道β-平面的两层海洋模式,在准长波近似下,应用最大截断模分析赤道波的基本形态,指出无论是正压模或斜压模Kelvin波、Rossby波及基本流所对应的“地形Rossby波”是最基本的波系,在基本流的一定切变条件下,它们之间可以耦合出一类不稳定波。在浅混合层近似和“快波近似”下,正压模和斜压模是可以分离的,因此可以分别分析它们的色散特征,由于它们的特征量不同,在同样波长(扰动的纬向尺度)下,扰动的增长率也不同,通过分析得出在一定参数下,斜压模扰动增长率为正压模的2倍。近似分析表明,混合层中流场的增长要快于温跃层,但温跃层的温度增长要比混合层明显。

中等复杂程度全球热带海洋模式模拟的热带印度洋海表温度变率

利用一个中等复杂程度全球热带海洋模式模拟研究了表面强迫异常引起的热带印度洋海表温度(SST)变率.利用1958-1998年表面分析资料作为强迫场,积分海洋模式41年作为控制试验,并利用模式分别做动量(风应力)通量和热量通量无异常变化的平行试验,与控制试验作比较.通过3组试验模拟的上层海洋变率状况的比较,分析了动量和热量通量异常对热带印度洋SST变率的影响,并比较了其影响的相对重要性.结果表明,模拟的热带印度洋SST变率的主要模态表现为与热带太平洋ENSO相联系的海盆尺度的一致性增暖或变冷特征,次级模态为热带印度洋SST偶极子模态.通过3组试验结果的比较表明,动量通量和热量通量异常强迫对热带印度洋SST变率第一模态均有贡献,但热量通量异常强迫的影响比动量通量异常强迫的作用大.热带印度洋偶极子模态主要受动量(风应力)异常强迫影响,热量通量异常强迫主要起阻尼作用.

分层热带海洋模式中的Rossby波和Kelvin波——初始混合层深度异常与大气热力强迫激发波动

利用一个两层半的热带海洋模式，采用数值实验的方法研究了热带海洋对于初始海洋混合层深度异常和大气季节内时间尺度热力强迫激发产生的Ｒｏｓｓｂｙ波和Ｋｅｌｖｉｎ波。研究表明，初始海洋混合层深度异常和大气热力强迫，可以在两层半热带海洋模式中激发产生东向传播具有Ｋｅｌｖｉｎ波性质的波动和具有Ｒｏｓｓｂｙ波性质的波动。热力强迫激发产生海洋Ｒｏｓｓｂｙ波和Ｋｅｌｖｉｎ波所需时间长于初始海洋混合层深度异常和大气季节内动力强迫激发产生两波所需时间，与大气季节内动力强迫激发的Ｒｏｓｓｂｙ波相比，初始深度异常与大气热力强迫激发产生Ｒｏｓｓｂｙ波具有不同的热力性质。

基于ESMF的POP海洋模式组件化设计与并行方法研究

针对目前海洋模式开发存在的移植、更新和相同功能代码重用困难的问题，对海洋模式的功能分解及组件化封装进行了研究，设计了一套基于地球系统建模框架（ESMF）的组件化与并行化方法，并将其应用在并行海洋模式POP上，构建了一种新的组件化海洋模式。对新模式的测试结果表明，上述方法能在保证模式正确性的基础上实现模式的可复用性与可维护性，并且能在一定程度上提高模式的运行效率。

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.

CMIP6海洋模式比较计划（OMIP）概况与评述

海洋模式比较计划(OMIP)是第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中的一个支撑子计划。OMIP致力于CMIP6中模式系统偏差来源及其影响这样一个重要科学问题。同时,OMIP也将在区域海平面变化和近期气候(未来10~30a)或者年代际气候预测的相关科学问题上有重要贡献,这些问题被世界气候研究计划(WCRP)列为气候科学领域巨大挑战的科学问题。OMIP采用统一的大气外强迫数据集和通量计算方案,进行全球海洋-海冰耦合试验、示踪物试验以及生物地球化学循环试验。同时,OMIP提供了一套针对海洋变量的详细的诊断框架,这个框架既可以评估和改进模式模拟,也可以用于理解海洋-海冰过程在整个气候系统中的作用。

海相烃源岩发育的古海洋模式及对南海北部的指示意义

通过汇总全球几个主要的优质海相烃源岩的古海洋-古气候特征以及相应的沉积环境,从有机质的生产、来源和保存条件3个维度将海相烃源岩发育的古海洋模式概括为:①三角洲-陆源海相模式,如西非陆缘盆地发育的烃源岩;②强蒸发-上升流模式,如墨西哥湾中生界烃源岩;③滞留静海-湿润气候模式,如北海盆地钦莫里阶烃源岩。结合现有资料分析认为,南海北部深水区恩平-珠海组(始新统—渐新统)处于半封闭局限海环境,普遍发育三角洲沉积体系,陆源有机质供应充足,气候条件适宜,具备发育优质海相烃源岩的古海洋条件。

全球海洋模式对CFC-11分布的初步模拟研究

使用中国科学院大气物理研究所(IAP)三十层全球海洋模式(L30T63)研究了CFC-11在全球海洋中的吸收和分布,初步讨论了决定其分布特征的可能因素。该模式采用自由表面结构和Gent-McWilliams中尺度示踪物参数化方案。通过对控制试验得到的CFC-11模拟结果分析可知,CFC-11海表浓度受温度影响显著,其分布形状大致与温度相似,但梯度相反。通量的分布受温度影响很大,且表现出很明显的季节变化特征,如不饱和区一般出现在冬季海区的中层水形成处或者强对流混合存在的区域。另外,对CFC-11的模拟结果与三个大洋的五个断面航测资料做了对比,发现模拟结果与观测资料吻合较好,能比较清楚地反映CFC-11输送与等密度面垂直分布以及环流场的密切关系,如在南大洋50°S以北至35°S以南等密度面的向下加深区是CFC-11的主要贮存区等。与大多数前人的工作相比,该模拟结果较好地反映了CFC-11在南大洋的分布特征。从这些反映出该模式对于大洋十年尺度物质交换与海洋内部输送的模拟是比较准确的。

全球涡分辨率并行海洋模式POP在神威蓝光上的移植和应用

基于中国自行研制的超大规模并行计算机神威蓝光平台,对海洋环流模式POP进行移植和进一步优化,并进行模式和机器的并行测试。测试结果表明:0.1度分辨率在5 000核以内达到了线性加速比,随着使用线程数目的增多,虽然加速比依然增加,但是加速效率在降低,当线程数目达到24 000的时候加速比出现降低,加速效率只有12.6%;0.05度分辨率可在12 000核以内达到了线性加速比,同样随着线程数目的增多加速在增多但加速效率在降低,当线程数目达到32 000的时候加速比出现降低,加速效率只有25.7%。经过优化后的海洋环流模式POP在神威蓝光并行计算机系统上具有良好的兼容性,并行效率较高,而且具有很强的可扩展性,可用来开展超大规模的并行计算。对测试结果的进一步分析发现,发展并行性良好的线性方程组求解方案、快速高效的计算网络协议等问题是未来发展高分辨率模式中需解决的问题。