第五讲 海洋模式中的参数化过程

1. 第五讲 海洋模式中的参数化过程 刘海龙 lhl@lasg.iap.ac.cn 2007年11月

2. 1.3 垂直混合方案

3. 垂直混合 海水温度方程 形式简单，过程复杂。 量值小，但非常重要。Kv～10-4m2/s

4. 纬圈平均的海温分布 混合层 • 　垂直混合决定了海洋的层结。 • 　垂直混合决定了中低纬度深层水上翻的速率。 温跃层

5. Wave Breaking Shear Ekman Transport Langmuir Circulations Convection Shear Internal Wave Break Double diffusion 海洋的主要混合机制和外强迫 浮力通量 风

6. 垂直混合的主要机制 • 混合层 对流 (静力不稳定)，切变 (动力不稳定)，Langmuir环流，Ekman输送，海浪破碎（浪流相互作用，海浪破碎、飞沫、气泡等）。 • 海洋内部 内波破碎、双扩散

7. 静力不稳定 z ρ’ ρ1 ρ0 >ρ1 ,E>0为稳定； ρ0 =ρ1 ,E=0为中性； ρ0 <ρ1 ,E<0为不稳定。 浮力 ρ ρ0 重力 X or Y

8. B-V频率/惯性振荡频率 流体元垂直方向的移动引起的振荡频率 z ρ1 ρ ρ0 ρ-1 t

9. 动力不稳定和Richardson数 • 流的切变导致不稳定 • Richardson数 用来衡量动力不稳定和静力不稳定的相对重要性，或者解释为浮力对湍流的抑制作用和切变产生湍流之间的比值。

10. 双扩散（Double Diffusion） • 形成机制：分子的热扩散速率是盐度扩散的100倍 不稳定 Salt 盐指 Less Less Salty&Warmer Less less Salty Salt Salt Salt Less salty&Colder 稳定 混合对流 盐指试验

11. 垂直混合参数化方案 • 整体（Bulk）混合层方案：假设混合层中速度、温盐是均匀的，主要模拟混合层的温度、盐度和混合层厚度得变化。 Kraus and Turner, 1967 Price, Weller, and Prinkel, 1986 , (PWP) Chen et al., 1994 • 应用混合长理论计算整个水柱中的垂直混合系数 Pacanowski and Philander, 1981, PP Large et al., 1994, KPP（K Profile Parameterization） • 应用高阶湍流闭合预报整个水柱的湍流通量。 Mellor and Yamada, 1982 Canoto and Dubovikov, 1996

12. 整体混合层方案（1）——描述海洋混合层基本方程整体混合层方案（1）——描述海洋混合层基本方程 温度方程 盐度方程 • 上边界 • 底边界

13. 整体混合层方案（2）——Kraus-Turner积分方程组整体混合层方案（2）——Kraus-Turner积分方程组 We为挾卷速度， 当混合强、混合层加深时，We>0 当混合弱、混合层变浅时，We＝0 We>0时，

14. 整体混合层方案（3）——挾卷速度的计算 TKE方程 上边界 底边界 垂直积分TKE方程得:

15. 表层混合强，温跃层混合弱。 在赤道潜流上下，都存在强的速度的垂直切变。 将垂直混合系数设置为Richardson数的函数，以便更合理地模拟赤道上的混合层和温跃层的结构。 混合长理论方案（1）——PP方案观测基础 8-100 cm2/s 1 cm2/s 2-11 cm2/s 沿赤道的海温和纬向流

16. 其中最大混合系数Kv0=5.0×10-3m2s-1 背景垂直粘性系数Kmb =1.0×10-4m2s-1。 α ＝5，n=2 混合长理论方案（2）——PP方案公式 PP方案对混合层进行简单处理， 规定了最上两层之间混合系数的下限。

17. 混合长理论方案（3）——PP方案试验结果 原方案 PP方案 Obs. PP方案 模式和观测的赤道太平洋上层海温L30T63，Jin et al., 1999

18. 小结 • 海洋中主要的垂直混合机制 对流，切变，Langmuir环流，Ekman输送，海浪破碎，内波破碎，双扩散。 • 静力不稳定、浮力振荡频率、Richardson数和双扩散 • 垂直混合方案以及主要代表模式 混合层方案：KT、PWP、Chen等 混合长方案：PP、KPP等 　高阶闭合：MY、Canuto等

19. 1.4 中尺度涡参数化

20. Gent-McWilliams’ Scheme，GM90 海水温度方程

21. 纬圈平均的海温分布 • 混合层以下的混合主要是沿着等密度面进行，穿越等面度面的分量较小。而这一部分混合主要是中尺度涡的尺度。 • 在Z坐标模式中，存在虚假的穿越等密度面的扩散，导致永久性温跃层模拟的较深。 永久温跃层

22. 沿等密度面的混合方案（1） 温度分布的示意图 等密度坐标面 XY平面上

23. 沿等密度面的混合方案（2） Redi,1982

24. 沿等密度面的混合方案（3）

25. 涡旋诱发的输送（1） • 用T来表示位温或任何一种tracer，它在等密度坐标下的守恒方程是： • 把每一变量分解为大尺度分量和扰动分量之和，经过简化后

26. 涡旋诱发的输送（2） Gent and McWillams, 1990, JPO Gent et al., 1995, JPO

27. GM90对永久温跃层模拟的改进 No-GM90 Levitus 4℃,1200m 4℃,2000m GM90 Permanent Thermocline 4℃,1200m 引自Jin et al., 1999

28. 小结 • GM90 是对z坐标的修正，包括等密度面混合方案和中尺度涡诱导的输送两部分。 • GM90对永久温跃层的模拟是至关重要的，是近年来成功的参数化方案之一。

29. 2.深对流

30. 热盐环流输送带示意图

31. 3. 短波辐射穿透参数化

33. This is an actual photo of an iceberg.  This came from a rig manager for Global Marine Drilling in St. Johns, Newfoundland.  They actually have to divert the path of these things away from the rig by towing them with ships!  Anyway, in this particular case the water was calm & the sun was almost directly overhead so that the diver was able to get into the water and take this picture. They estimated the weight at 300,000,000 tons.

34. Penetration depth = 1cm 100m 海洋的典型吸收系数(取自Thomas et al., 1999)

35. 双指数方案 • 根据Jerlov（1968）中对海水浑浊度的分类，假设大洋海水的光学性质为I类。 • 取A1=0.58，A2=0.42，穿透深度B1=0.35m，B2=23.0m 这意味着58%的能量在0.35m的深度上呈e指数衰减，42%的能量在23.0m的深度内呈e指数衰减。

36. Penetration depth = 35cm Penetration depth = 2300cm 100m 海洋的典型吸收系数(取自Thomas et al., 1999)

37. 卫星观测的海洋浮游植物和陆面植被

38. 考虑浮游植物影响的方案Ohlmann（2003） • 仍采用双指数形式，但是吸收的比例系数和穿透深度都是叶绿素的函数 • 对于叶绿素含量大的海域，B更小，A1越大，A2越小

39. 短波穿透的几点说明 • 短波辐射穿透是上层海洋静力不稳定产生的一种重要机制。 • 叶绿素浓度与短波穿透的关系是水圈和生物圈相互作用的一种重要机制。而且随着水色卫星的业务化，考虑叶绿素浓度使穿透的比例系数和穿透深度在空间上有了连续的分布，也有了随时间的变化。 • 短波穿透方案与模式垂直分辨率密切相关。 • 单独海洋模式和海气耦合模式的赤道太平洋冷舌的冷偏差（Cold Bias）。考虑浮游植物的影响，结合垂直混合方案以及日变化的强迫场，模式对冷偏差有一定程度的改进。

40. The end

41. 混合层深度定义 温度测量容易，降水导致表层生成淡水分层 • 与表层的密度（温度）差(0.05～0.5 kg m-3)。 此定义在发生对流时，表层值难以确定。 • 密度（温度）的垂直梯度 此判据对计算的垂直尺度较敏感

42. 混合层深度的水平分布（NCEP GODAS年平均混合层深度）

43. 混合层的季节变化特征31.8°N 64.1°W，温度廓线（Stewart，2004） 5 1 4 3 2 温度

44. 上层海温的日变化 北太平洋（1987.3.14-18） 1987

45. KPP方案 • 海表混合层：非局地混合 • 海洋内部的扩散 考虑了切变不稳定（Ri）、小尺度的切变不稳定（常数）和双扩散