LASG 全球海洋模式 (1)

ECCE Summer School

张学洪 刘海龙LASG/IAP/CAS

参 考 资 料刘海龙等， 2004 ： LASG/IAP 气候系统海洋模式 (LICOM1.0) 参考手册 .Zhang X.H., et al., 2000: IAP Global Ocean-Atmosphere-Land System model.

Semtner, A.J., 1997, J. Comp. Phys., 135, 149–153.

Tomczak M., and J.S. Godfrey. 2001: Regional Oceanography: An Introduction.

为什么要发展海洋模式？

LASG 全球海洋模式简介

自由面 和“刚盖” 近似

主要内容

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 GOALS 耦合模式 ( 吴国雄等 , 1997)

TG SST

‘ 单独’ 大气模式的下垫面条件

大 气

陆 地 海 洋

海、陆季节热储存能力比较

比热 密度 厚度 温差 热储存

海洋 4000 1000 100 10C 4.0×109J

陆地 800 3000 1 20C 4.8×107J

( 取自 Stewart, 2004 ； Unit: m•kg•sec)

TAz

TA

z

z

Tw

y

Tv

x

Tu

t

T

HHHV

海温方程和海表边条件

1p0zz

HV zc

F

z

TA

0

耦合气候模式中的 SST

是海气相互作用的结果 ; 有时，海洋环流的影响处于支配地位 .

海表热平衡方程

z

T

zz

TwTvczF po

海表热通量加热 ≈平流、上翻、混合冷却

热带太平洋年平均 SST(NCEP ODA

S)

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 25.7 85 95

EWP 28.7 36 163

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

海洋模式模拟的经圈流函数

NADW

AABW

LASG 发展全球海洋模式的目的是建立耦合气候模式进行气候研究，特别是 ENSO 和全球变暖的研究 .

LASG 全球海洋模式简介

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)

分辨率的重要性• 赤道潜流 (EUC)

• 印度尼西亚贯穿流 (ITF)

L20,L30T63,LICOM1.0 模拟的赤道潜流NCEP ODAS LICOM1.0

L20,4×5 L30T63

LICOM1.0: 印度尼西亚贯穿流

N

I

0-300m averaged temperature & current (Y=21-60)

(0-300m): 11.1(2.2); (0-400m): 12.8(2.3); (0-1200m): 19(2.2)

LICOM ：LASG/IAP Clim

ate system Oce

an Model

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

方程组 容许自由面的原始方程组分辨率 垂直 30 层，水平 0.50.5

范 围 75S - 65N

垂直坐标 - 坐标 (Mesinger et al., 1975; Yu, 1989)

差分格式 守恒格式 (Zeng and Zhang, 1987)

时间积分 正斜压分解 - 耦合 (Mellor, 1993) Asselin 滤波 (Asselin, 1971)

LICOM 1.0 的动力框架

中尺度涡 GM90 (Gent & MacWilliams, 1990)

热带垂直混合 P-P (Pacanowski & Philander, 1981)

短波穿透 Rosati and Miyakoda (1988)

水平粘性 Laplace ，双调和Smagorinsky (1963, 1993)

海表强迫 风应力 ,Haney 型热通量

LICOM 1.0 的参数化过程

模式的“热带偏差”(Tropical biases)

FGCM-0

1.Cold bias 2. Central basin gradient 3. Poor boundaries 4. A few realistic

24 CGCMs

(Latif et al., 2001)

14 no-adjFGCM-1

热带太平洋年平均 SST ： Obs vs. Model

COADS

LICOM1.0

FGCM-1

PUMP (Kessler et al., 2004)

Upwelling and Mixing

自由面和刚盖近似

刚盖： rigid-lid

年平均海表高度 (LICOM1.0, cm)

SSH, T, u, averaged over 120º-150ºW

ITCZ

SSH, T, u, averaged over 120º-150ºW

η(x,y,t)

z=0

z=-H

0z

w

v

Boussinesq 近似下海表高度的计算

海表高度的变化由体积守恒决定

0

dzz

w

H

v

v

tdt

dwdz

z

wz

H

vvv dzdz

HH

dzt

H

v

y

V

x

UH

t

海表高度 的预报方程

‘ 刚盖’近似 ~ 正压流无辐散 .

= 0

U, V : 垂直平均 ( 正压 ) 流速

y

V

x

UH

t

自由面引起的表面波

...

,...

yg

t

Vx

gt

U

gHcg

H ~ 4000m → cg ~ 200 ms-1

Type Atmos. Ocean

Gravity waves External First internal mode

300100

2003

Currents Jets Interior

150---

1.50.2

Velocities of physical phenomena which may limit the time step of a numerical integration in an atmospheric or ocean model in units of ms-1.

From Bryan (1984)

1

x

tc

Courant 条件

C=200m/s ( 表面波 )

t < 4 min

C=3m/s ( 内波 ) t < 4.6 hrs

x = 50km

Bryan, K., 1969: A numerical method for the study of the circulation of the World Ocean. J. Comp. Phys., 4, 347-376.

(“ 刚盖”近似模式 )

Crowley, W.P., 1968: A Global numerical ocean model: Part I, J. Comp. Phys., 3, 111-147. ( 自由面模式 )

两篇海洋模式设计的论文

刚盖近似模式 自由面模式 去掉了表面波

分解算法 + 滤波

海表高度不是预报量 , 不便同化

可以直接同化海表高度资料

两种处理表面波方法的比较

Ft vVv

GFDL 海洋模式

(Bryan—Cox—Semtner)

MOM : Pacanowski-Griffies

POCM POP MOMGM90, KPP

L4, 4X5 (1989)

L20, 4X5(1994)

L30,T63(1999)

LICOM(2004)

LASG

• 起步于上世纪 80 年代末；• 是最早的自由面模式之一；• 始终和耦合模式协同发展；• LICOM ： eddy-permitting ；• 主要误差： tropical biases ；• 参数化研究亟待加强 .

小结 : LASG 全球海洋模式

年平均风应力和 SST (COADS)

uV

uH

o

FFx

p1vf

z

uw

y

uv

x

uu

t

u

0

z

0 dzggp