大洋环流和海气相互作用的数值模拟 全球海气耦合模式课题组 （ LASG/IAP ）

LASG/IAP/CAS

大洋环流和海气相互作用的数值模拟

大洋环流和海气相互作用的数值模拟全球海气耦合模式课题组

（ LASG/IAP ）

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟大洋的划分 (Levitus, 1982)

Tropical Pacific

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟Observation and Prediction of 1997/98 ENSO

Observation May 97Prediction May 97

Initialization in December 1996Prediction for May 1997: Pacific SSTA

(ECMWF, Stockdale et al., 1998)

LASG/IAP/CAS

大洋环流和海气相互作用的数值模拟

1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

1

5

7

9

3

AAtmospheretmosphere

OOceancean

.008916

1 23

LLandand

.074074

.188615

.336077

.500000

.663923

.811385

.925926

.991084

500 680 900

25

75

125

180

255

360

11601455177521152475285032353625401544054800

Sea Ice

Sun

LASG 全球海洋 - 大气 - 陆面（ GOALS ）耦合模式

热量

水分

动量

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟El Niño 和 ENSO 是大洋环流和海气相互作用的一个典型问题。

全球变暖是海气相互作用的另一个典型问题，和大洋环流的变化密切有关。

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

LASG :

Laboratory of Numerical Modelling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

LICOM ：LASG/IAP Clim

ate system Oce

an Model

http://web.lasg.ac.cn/FGCM/index.htm

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

OGCM4 层模式

( 张学洪等 , 1989)

20 层模式 ( 陈克明 , 1994)

L30T63 ( 金向泽等 , 199

9)

LICOM ( 刘海龙等 , 200

4)

LASG 全球海洋模式和耦合模式分辨率

4×5

4×5

1.9×1.9

0.5×0.5

CGCM“2+4”

( 张学洪等 , 1992)

GOALS( 吴国雄等 , 199

7)

FGCM-0( 俞永强等 , 200

2)

FGCM-1( 俞永强等 , 200

5)

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

解释大洋环流和海气相互作用的基本概念和理论 . 介绍模式设计的初步知识. 分析气候模拟的典型问题.

课程设计思路

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟 观测 , 模式 , 理论的关系

(From Stewart, 2004)

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

1. 热带太平洋 SST, 赤道流系 , 温跃层和海表高度 张学洪 2. 风生环流的 Sverdrup 理论 张学洪 3. 风应力 , 热通量 , 淡水通量 张学洪 4. 大洋环流模式设计初步 张学洪 5. 海洋模式中的参数化过程 刘海龙 6. 云对海气相互作用的影响 周天军

本课程分为 12 讲：

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

7. ENSO 的数值模拟 俞永强 8. 印度尼西亚贯穿流的模拟 李 薇 9. 中高纬度海气相互作用 周天军10. 大洋热盐环流 周天军11. 海冰的数值模拟 刘喜迎12. 全球变暖的模拟 俞永强

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

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

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

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟第一讲热带太平洋 SST

赤道流系温跃层和海表高度

张学洪 (zxh@lasg.iap.ac.cn)

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

热带太平洋 SST

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

> 28ºC

< 24ºC

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

EWP ECT

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

z

T

z

z

Tw

y

Tv

x

Tu

t

T

‘SST’ 的控制方程和边界条件

zc

Q

z

T

pzz

00

LASG/IAP/CAS

大洋环流和海气相互作用的数值模拟海表热平衡方程

z

T

zz

TwTvczQ po

海表热通量加热 ≈海洋内部动力冷却

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟Annual mean SST, Q (Wm-2) and DTC (m)averaged over 110-150W, 2S-2N (ECT) and 160-180E, 2S-2N (EWP)

SST Q DTC

ECT 25.8 85 94

EWP 28.8 36 163

DTC: Depth of ThermoCline, estimated based on 20C isotherm

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟小 结• SST 平均态是海表热通量的加

热作用和海洋动力过程的冷却作用相互平衡的结果 .

•在冷舌区，海洋环流所产生的冷却作用处于支配地位 .

•问题：为什么暖池区海温很高而净的海表热通量很小？

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

Profiles of in situ and potential temperature and density in the Mindanao Trench. (From Stewart, 2001).

‘ 现场’温度和位温

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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

海洋的平均经圈环流

LASG/IAP/CAS

大洋环流和海气相互作用的数值模拟

0z

w

y

v

x

u

0z

w

y

v

yw

zv

0Δ

纬圈积分的经圈翻转流函数

LASG/IAP/CAS

大洋环流和海气相互作用的数值模拟海洋模式模拟的经圈流函数

NADW

AABW

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

太平洋赤道流系Equatorial current system i

n the Pacific Ocean

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

SEC

NEC

NECC

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

SEC: South Equatorial Current

NEC: North Equatorial Current

NECC: North Equatorial Counter Current

EUC: Equatorial UnderCurrent

Equarorial Current System

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟NCEP ODAS 给出的热带太平洋年平均表层流

U p w e l l i n g

SEC

NECNECC

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

NCEP ODAS (Ocean

Data Assimilation System)

Ji et al. (1995)

Behringer et al. (1998)

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

SEC NECNECCE

UC

LASG/IAP/CAS

大洋环流和海气相互作用的数值模拟

500103m 200m 0.5ms-1

= 50 106 m3s-1

=50 Sv (Sverdrup)

东太平洋 EUC 输送量的估计

Obs: 30-40 Sv (T&G, 2001)

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟小 结•太平洋赤道流系包括 : SEC,

NEC, NECC, EUC, SECC 等 .•赤道“ upwelling” 是和 S

EC 有关的 .

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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

热带温跃层Tropical Thermocline

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟热带温跃层的例子 (5°S)

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

In the tropics, winter cooling is not strong enough to destroy the seasonal thermocline, and a shallow feature sometimes called the tropical thermocline is maintained throughout the year (T&G, 2001).

Tropical thermocline

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

热带太平洋温跃层和赤道流系

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

20ºC

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

沿赤道断面的温度和洋流

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟小 结• Permanent, Seasonal, and T

ropical thermocline ;

•问题 : 温跃层 , 海表高度和海流的关系？

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

温跃层和海表高度的关系、地转流

LASG/IAP/CAS

大洋环流和海气相互作用的数值模拟

h

H

τx

LASG/IAP/CAS

大洋环流和海气相互作用的数值模拟

1.5-layer model

LASG/IAP/CAS

大洋环流和海气相互作用的数值模拟11/2 layer model

LASG/IAP/CAS

大洋环流和海气相互作用的数值模拟 AB

AB

HHgp

hhgp

2

11

AB0

AB

21

HHhh

0pp

LASG/IAP/CAS

大洋环流和海气相互作用的数值模拟

p,S,T

ST0

S

1,

T

1

00

海水状态方程，热膨胀系数

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟α=α(t, p) (10-4K-1) (Gill, 1982)

1bar = 105 Nm-2

=105 Pa

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟α=3×10-4K-1, T=10K

003.00

海表高度坡度仅为温跃层坡度的千分之三左右。

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

热带海洋的温跃层坡度是海表高度坡度的 100—300 倍 , 两者方向相反 .

在热带海洋 , 海表高度可看作温跃层的压缩映像 .

小结 : 海表高度和温跃层的关系

LASG/IAP/CAS

大洋环流和海气相互作用的数值模拟

温跃层坡度和海表高度坡度之间的这种关系，本质上就是地转风关系和热成风关系 .

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟11/2 layer model 中的地转输送

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

AB

AB

0

AB

AB

1g1

xx

HH

f

g

xx

hh

f

g-

x

h

f

g-

x

p

f

1 vv

“ 一层半”模式中的地转流

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

0

gg

,f

HHHg

HxxvV

AB

AB1

和地转流相应的体积输送

注意：此后 H 代表深度 ( 向下为正 ).

Reduced gravity

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟

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大洋环流和海气相互作用的数值模拟