Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

[CM2015] Chapter 4 - OGCM

348 views

Published on

This is one of the course slides for the class "Climate Modeling (2015)" at Peking University.

Published in: Education
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

[CM2015] Chapter 4 - OGCM

  1. 1. Chapter 4 Ocean General Circulation Modeling 海洋环流模式 神奈川的大海冲浪 富士山三十六景 葛饰北斋 (1760-1849)
  2. 2. Outline • 海洋模式的家族谱 • 海洋的基本运动 • 浅水模式 • 动力框架 • 海气耦合与物理过程
  3. 3. Atmosphere vs. Ocean • u/v/w • T (potential temp) • Air density (T,p,q) • Geopotential (PGF) • Sea Level Pressure • q (water vapor) • u/v/w • T (potential temp) • Water density (T,p,s) • Pressure (PGF) • Sea Surface Height • s (salinity) Φ=𝑝 𝜌0 Φ=𝑔𝑧
  4. 4. 海洋模式的家族谱 Swamp Ocean Slab Ocean Detailed Mixed-layer Dynamic 3D Ocean 模式复杂度 Box Ocean 简化假设 Spherical Geoid Shallow Atmosphere Hydrostatic Boussinesq Primitive Equations Shallow Water Quasi-Geostrophic 边条件 Rigid Lid 刚盖海表 Free Surface 自由面海表 分辨率 OGCM Eddy-resolved OGCM (<1/4 deg) Basin-scale model 洋盆模式
  5. 5. Swamp Slab Mixed-layer 3D OGCM Large-scale 3D OGCM Eddy-resolving 沼泽海洋 平板海洋 混合层海洋 大洋环流模式 Eddy可解析 与大气交换水汽 Yes Yes Yes Yes Yes 显式计算SST Yes Yes Yes Yes 热量的垂直混合&输送 Yes Yes Yes 大尺度洋流 Yes Yes 西边界Eddy Yes 不同复杂度海洋模式的区别
  6. 6. 海洋运动 时空谱 海洋: Mesoscale Eddy ~100km 大气: Synoptic Cyclone ~2000-3000km Kantha & Clayson, 2000
  7. 7. 海洋运动时空谱
  8. 8. 海洋的基本运动 • Wind-driven Circulation 海表面 受风应力驱动 热带波系:Kelvin, Yanai, Rossby, Inertia-Gravity (Poincare) 热带流系:EUC, ECC 中纬度波系:Kelvin, Rossby, Inertia-Gravity (Sverdrup/Poincare) 中纬度流:WBC, Geostrophic Adjustment • Thermal-driven (Thermohaline) Circulation 高纬度和海洋中深层 受密度驱动 深层环流:AMOC 底水水体形成:AABW, NADW • Tides 全球海洋模式可忽略 只在costal才起作用
  9. 9. 海洋的基本运动
  10. 10. 热带波系 波数 频率 长波 开尔文波 ~12.8 days 惯性重力波 ~7 days Rossby波 ~40 days
  11. 11. 北太平洋Gyre 南太平洋Gyre 赤道逆流 ECC 热带流系 赤道潜流 EUC
  12. 12. 中纬度边界流 中纬度狭窄而快速的西边界流, 是OGCM模拟的难点,而WBC对 热量、动量、盐度的输送很重要。 Eddy-resolved OGCM (<1/4度分 辨率) 才能更好地模拟WBC Gulf Stream Kuroshio Current
  13. 13. 浅水方程历史 History of SWE (Mini-OGCM) • 法国数学力学家Adhémar Jean Claude Barréde Saint-Venant(1797-1886) 于19世纪中期发展了浅水方程组,故SWE也成为“Saint-Venant Equations” • 在漫长的1个多世纪中,无数来自流体力学、工程机械力学、气象学、物理 海洋学、环境科学的科学家使用SWE用于研究“浅水”模型的运动特征 • 现在SWE可以用垂直积分N-S方程组获得,或垂直积分PE获得,区别是前 者没有科氏力项(只用于描述无旋转流体,工程力学上广泛使用),后者 有科氏力项(在行星尺度大气/海洋研究中广泛使用) • SWE是一组PDE,用于描述水平尺度远远大于垂直尺度的流体运动特征, 由于垂直尺度极端微小,其垂直运动的过程被忽略,但垂直运动的效果被 保留(散度项)。可认为在垂直尺度上“瞬间”就完成了调整。 • SWE有很好守恒特性,满足三守恒:质量守恒;能量守恒;位涡守恒 • SWE是PE很好的简化形式,去除了热力项,去除了垂直层结,对海洋大尺 度运动特征比较完好地保存下来,可用来模拟完整的海洋外波动力学
  14. 14. 浅水模式的物理图景 hs 自由面高度 hbot 浅水底地形 Convergence Divergence 浅水模式中 重力波传播速度: 真实海洋参数: 𝑐 = 𝑔𝐻 𝑐 = 10 × 5000 = 𝟐𝟐𝟑 𝑚/𝑠
  15. 15. 浅水模式                                                                   y v x u h y h v x h u t h y v Kfu y h g y v v x v u t v x u Kfv x h g y u v x u u t u y x 2 2 2 2 平流项 Advection Term 气压梯度力项 PGF Term 底摩擦项 Diffusion Term 科氏力项 Coriolis Term 幅合幅散项 Divergence Term 黄色项为大项;其余项为小项 在最简化的情况下只保留黄色项即可
  16. 16. 海洋模式的动力框架 𝜕𝑢 𝜕𝑡 = −𝑢 𝜕𝑢 𝜕𝑥 − 𝑣 𝜕𝑢 𝜕𝑦 − 𝑤 𝜕𝑢 𝜕𝑧 + 𝑓𝑣 − 𝜕Φ 𝜕𝑥 + 𝐹𝑢 𝜕𝑣 𝜕𝑡 = −𝑢 𝜕𝑣 𝜕𝑥 − 𝑣 𝜕𝑣 𝜕𝑦 − 𝑤 𝜕𝑣 𝜕𝑧 − 𝑓𝑢 − 𝜕Φ 𝜕𝑦 + 𝐹𝑣 𝜕Φ 𝜕𝑧 = − 𝜌 𝜌0 𝑔 𝜕𝑇 𝜕𝑡 = −𝑢 𝜕𝑇 𝜕𝑥 − 𝑣 𝜕𝑇 𝜕𝑦 − 𝑤 𝜕𝑇 𝜕𝑧 + 1 𝜌0 𝑐 𝑝 𝑄heating + 𝐹 𝑇 𝜕𝑠 𝜕𝑡 = −𝑢 𝜕𝑠 𝜕𝑥 − 𝑣 𝜕𝑠 𝜕𝑦 − 𝑤 𝜕𝑠 𝜕𝑧 + 𝐹𝑆 𝜕𝑢 𝜕𝑥 + 𝜕𝑣 𝜕𝑦 + 𝜕𝑤 𝜕𝑧 = 0 𝜌 = 𝜌 𝑇, 𝑠, 𝑝 Φ = 𝑝/𝜌0 混合过程 Mixing Processes 辐射过程 Radiation Process 海洋与大气重要区别:
  17. 17. 刚盖约束 Rigid-Lid condition 允许:自由面高度的变化(只反映地转流的反映) 禁止:自由面由于垂直运动导致高度的变化(阻止快波,如Gravity Wave)
  18. 18. 海气相互作用和物理过程 • 海洋是大气的动量汇 海洋动量主要都是大气动量通过风应力传递来的 • 海洋是大气的热储库 大气的热容量=海表3米的热容量 • 海洋是大气的水汽库 海洋水量占97%;大气水汽占1% • 海洋是大气GHGs库 海洋CO2储量是大气的50倍
  19. 19. 辐射过程 • 海洋辐射过程比大气辐射过程简单得多 • SW 近黑体吸收,有多黑取决于海色(Chlorophyll) 表层几米吸收绝大部分 剩下的吸收向下e指数递减,50m以下不到1% • LW 黑体辐射 吸收和辐射局限于表层几厘米
  20. 20. 海色 Ocean Color
  21. 21. 混合过程 • 混合过程是潮汐、风应力搅拌、边界摩擦引起的能量串 级和耗散过程 • 垂直混合的结果是形成 Mixed/Mixing Layer • Shallow (~100m) 夜晚海表失去太阳辐射引起浅对流 • Deep (~1000m) 晚冬高纬度(Labrador, Greenland, & Weddell Seas)因长 期辐射冷却引起深对流
  22. 22. 热带太平洋混合层
  23. 23. 纬向平均太平洋、大西洋混合层 Pacific Atlantic
  24. 24. 混合过程参数化 SML Surface Mixing Layer ------- MY Mellor-Yamada scheme (1982) Local closure PWP Price-Weller-Pinkel (1986) PP Pacanowksi-Philander (1981) KPP K-Profile Parameterization (1994) Non-Local closure 低阶 简单处理 高阶 参数化 Richardson Number (浮力指标) Brunt-Vasala Freq.
  25. 25. Mellor-Yamada Level-2 Scheme 𝐹𝑢 = 𝜕 𝜕𝑧 𝐾 𝑀 + 𝜐 𝑀 𝜕𝑢 𝜕𝑧 𝐹𝑣 = 𝜕 𝜕𝑧 𝐾 𝑀 + 𝜐 𝑀 𝜕𝑣 𝜕𝑧 𝐹 𝑇 = 𝜕 𝜕𝑧 𝐾 𝐻 + 𝜐 𝐻 𝜕𝑇 𝜕𝑧 𝐹𝑆 = 𝜕 𝜕𝑧 𝐾 𝐻 + 𝜐 𝐻 𝜕𝑆 𝜕𝑧 混合层 Mixed Layer 深层 Deep Layer 𝐾 𝑀 𝐾 𝐻 𝜐 𝑀 𝜐 𝐻 (Mellor and Yamada, 1982) 𝐾 𝑀 = 𝑙𝑞𝑆 𝑀 𝐾 𝐻 = 𝑙𝑞𝑆 𝐻 𝑙 混合长 𝑞 TKE 𝑆 Stability Function 动量 辐射 水
  26. 26. Air-Sea Coupling Surface Conditions 表面风应力 表面风应力 表面热通量 表面E-P通量
  27. 27. Outline • 海洋模式的家族谱 • 海洋的基本运动 • 浅水模式 • 动力框架 • 海气耦合与物理过程 阅读作业: Chapter 11 Ocean General Circulation Modeling D. B. Haidvogel & F. O. Bryan

×