压力坐标海洋环境模式的发展和应用前景

Boussinesq近拟的海洋环流模式是基于体积守恒而不是质量守恒模式，因此非经质量订正不能正确模拟海表高度的全局变化，而基于压力坐标考虑海水可压缩性的海洋环流模式则可以精确地保证质量守恒，更适用于海底压力和海表高度的模拟，介绍了在理想几何条件下这两类模式模拟的北大西洋海盆和太平洋盆海表高度和海底压力的比较，讨论了对Boussinesq近似模式进行全局质量订正的必要性，地转适应过程在减小两类模式模拟结果差异方面的作用，以及压力坐标海洋环流模式的应用前景。     

压力坐标海洋环流模式的发展和应用前景

Boussinesq近似的海洋环流模式是基于体积守恒而不是质量守恒模式,因此非经质量订正不能正确模拟海表高度的全局变化,而基于压力坐标考虑海水可压缩性的海洋环流模式则可以精确地保证质量守恒,更适用于海底压力和海表高度的模拟.介绍了在理想几何条件下这两类模式模拟的北大西洋海盆和太平洋海盆海表高度和海底压力的比较.讨论了对Boussinesq近似模式进行全局质量订正的必要性、地转适应过程在减小两类模式模拟结果差异方面的作用、以及压力坐标海洋环流模式的应用前景.     

三重积分变换公式的证明

由于部分三重积分在直角坐标系下计算比较困难,选择适当的坐标变换,使得原坐标下积分区域变换为新坐标系下积分区域,新坐标系下积分面正交.从而各函数在满足一定条件下,证明了积分转换公式的成立.并通过实例验证公式的正确性.     

海洋环流模式研究回顾与展望

大洋环流的强度变化,对区域乃至全球气候有重要影响.综述了在过去50年中,海洋模式的发展.经过了几代人的开发,国内外全球大洋环流模式、近海和区域环流模式都有了很大改进,能较好地模拟大洋海面温度和高度的分布、海流分布以及El Nino和La Nina的演变过程等.但是,由于观测资料的短缺,数值模式开发还不够完善,海洋边界流的模拟仍不够好.有些探索是基于压力坐标的、非Boussinesq近似的海洋环流模式;将海洋模式的开边界以余流和潮流合成给出,能保证整个计算区域内水量进出的平衡;摒弃刚盖模型,用自由表面模型取而代之,以及借助海洋资料同化系统,开发海气耦合模式,都是海洋环流模式的发展方向.众多研究认为,不断改进和完善动力框架和各种差分格式的设计将有助于提高海洋环流模式的模拟能力.     

中尺度η坐标模式研究进展

简介国内外η坐标模式研究概况 ,着重给出我们改进完善的中尺度η坐标模式的最新进展 ,以及其中高分辨率 1 6层中尺度η坐标模式用于暴雨数值预报及飑线数值模拟研究的情况。     

杂交元在圆柱坐标系中的应用

在圆柱坐标系内提出了一种新型杂交元——圆柱壳杂交元。该单元在每一单层上考虑了横向剪切变形,提出18-β应力函数,可直接计算复合材料层合壳上的N_ξ、N_η、N_(ξη)、M_ξ、M_η、M_(ξη)、Q_ξ、Q_η。在单元边界上独立假定垂直于中面的转角θ_η、θ_ξ,并以中面广义位移为基本参量,确定各层边界位移场,用最少的自由度计入层合壳的局部变形效应。本单元可在圆柱坐标系中直接求解,避免直角坐标系中单元求解时整体坐标和局部坐标的反复转换,减少了计算误差,提高了计算精度,是工程中切实可行的一种计算方法。     

关于椭球面的平截线的探讨

利用坐标变换把平面方程化成新坐标系下的某一坐标平面的方程,从而把一般的平截线转化为新坐标系下的坐标平面截线,而椭球面的坐标平面截线知识是熟知的,这样问题便得以解决.     

一种用曲线坐标求边值问题数值解的方法

给出了一种用曲线坐标求角椭圆型偏微分方程自由边值问题的数值解法；该方法通过引入两个辅助问题，它们构成一个曲线坐标系。在这个坐标系下，原问题化为和左形域上的方程组的固定问题，后者容易用差分法求解，其优点是简单省时，给出三个实际算例。     

三维坐标转换的总体最小二乘拟合推估

最小二乘的Gauss-Markov误差模型在三维坐标转换参数求解中存在缺陷,而求取坐标转换参数的目的是计算非公共点在目标坐标系的坐标,因此提出了一种三维坐标转换的总体最小二乘拟合推估法。考虑了原坐标系中公共点坐标和非公共点坐标的相关性以及非公共点在原坐标系中的坐标误差对模型的影响,对计算坐标转换参数和计算非公共点在目标坐标系中的坐标进行联合处理,推导出三维坐标转换的总体最小二乘拟合推估模型和求解方法。算例表明,利用新方法计算结果相比其他2种方法更加精确,均方根误差降低至0.077 3,相对百分误差降低至1.54%,证明了新方法的有效性和可靠性。     

波致混合对热带太平洋海气耦合模式中冷舌模拟的改进

非通量调整的大气海洋环流耦合数值模式所模拟的赤道太平洋表层海温（SST）的冷舌偏冷并且过于西伸是一个共性问题．文中在全球大气-海洋环流耦合数值模式FGCM-0中考虑了波致混合的作用后，赤道太平洋地区的SST模拟结果有了显著的改善，在（160—180°E，0—3°N）海域内SST升高在0.8℃以上且最大可达1.2℃．这有效地抑制了冷舌西伸，即赤道太平洋冷舌过于西伸的问题有所改善，26.0℃等温线在赤道附近的顶点从165°E东移至180°E以东，大约向东移动了1650km，这样所模拟的SST更接近于观测．对模拟结果分析表明：耦合模式中SST、近海面大气环流、海洋表层水平环流、海洋表层上升流等要素的距平场是相互间动力协调的，对于改善赤道冷舌模拟偏冷问题是正反馈，而耦合模式中海气热通量距平对改善赤道冷舌模拟偏冷问题是一种负反馈．     

南海表层环流和热结构特征的数值模拟与影响因素分析

 采用普林斯顿海洋模式,在真实的地形数据、计算区域右边界上半部分设为开边界的条件下,对南中国海98°-126°E,3°S -26°N的范围进行了环流和温度结构的模拟。模拟从静止的海洋开始,以1月份的月平均温盐数据为初始场,在12个不同的月平均风场驱动下,模式稳定地模拟了4个模式年。从第3年开始进行数据分析。首先从数值模拟的角度给出了南海表层环流和热结构的时空演变过程,继而详细分析了气候和环境因素的影响。结果表明：冬季南海主要被一个大的气旋式环流占据,夏季主要呈大的反气旋式环流。春季和秋季是季风转换季节,南海环流在受到上一个季节影响的同时也向下一个季节的典型流态转换,并由多个涡旋组成。此外,气候和环境条件的设置,都会影响到南海的环流和热结构特征。     

海洋环流数值模式中的若干技术问题评述

详细介绍了当前国内外海洋环流数值模式中垂直涡动粘性系数、海表面动量、热量和质量通量的参数化方案以及开边界条件的选取等技术问题，评价了各种方案和技术的优缺点，为海洋环流数值模式的研制和改进工作提供了参考依据。     

曲线坐标下波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型研究

建立了曲线坐标系下的波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型,对不规则岸线地形下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究.首先基于曲线化抛物型缓坡方程建立了正交曲线坐标系下的近岸波浪传播数值模型;然后通过正交曲线变换建立了正交曲线坐标系下的近岸流数值模型;进而基于波浪辐射应力的概念,耦合上述数值模型,对Gourlay模型实验和Hamm模型实验中不规则岸线地形条件下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究,并结合实测资料对数值模拟结果进行了验证分析;最后基于上述耦合数值模型对美国San Francisco海湾的Ocean Beach海岸波浪斜向入射所产生的波浪场及波浪破碎所形成的近岸流进行了数值模拟研究.对比分析表明,本文数值结果与实验结果或其它学者所得数值结果基本一致,从而验证了本文数值模型的有效性.     

海洋动力系统数值模式体系及海浪-环流耦合理论

从系统科学的观点出发,把海洋运动按照时空尺度分解成小尺度(以海浪为代表)子系统、中尺度(以内波为代表)子系统、大尺度(以大洋波动和环流为代表)子系统,并把海洋和大气之间通过近海面海洋大气层进行相互作用的部分称为近海面海洋大气边界层子系统。考虑各子系统之间的相互作用,提出了从海洋动力系统观点出发发展海洋数值模式体系的科学思路。通过考虑海浪对环流的垂向混合作用,将海浪的运动混合作用解析表达为可以通过海浪数值模式直接计算的海浪谱形式,建立了海浪-环流耦合理论。这一理论不仅将普林斯顿环流模式全球上100米的模拟海温与Levitus资料之间的平均相关系数从0.58提高到了0.76,而且加深了我们对中国近海海洋环流系统的理解,同时对气候模式热带偏差这一共性问题有显著改善。该理论对海洋环境预报和全球气候变化预测具有重要意义。     

物质输运方程中平流项数值格式的改进

在水平曲线坐标和垂向σ坐标的三维海洋模式下,欧拉 拉格朗日方法的插值如果在σ-面相邻网格之间进行,那么在水深变化剧烈处,由于σ-面相邻网格之间的垂向距离较大,插值依据会显得较不合理.所以把插值改在绝对坐标下进行.数值试验表明,改进后的欧拉-拉格朗日方法在水深变化剧烈处比改进前的数值耗散更小、精度更高和表现更合理.     

热带太平洋地区HYCOM模式不同垂向坐标设置对比研究

基于挪威南森环境遥感中心改进的NERSC-HYCOM模式,对热带太平洋海域进行了多个不同垂向坐标设置的试验分析,探讨该海域不同垂向坐标设置对于模拟热带太平洋温度场和流场的影响,并设计了一个改进型方案.通过对比分析赤道海区海温、纬向流速的水平和垂直分布及其变化,得到以下主要结论:1)与密度相关的混合坐标模式对位密的选取是敏感的,NERSC-HYCOM模式应用于太平洋应选择适合太平洋的位密设置.2)具有较高垂向分辨率的单一z坐标或单一σ坐标模式能较好地模拟热带开阔大洋上层的温度场,但大洋边界处模拟效果稍差;单一σ坐标模式模拟的表层流场、双坐标σ-z模式以及上层z坐标分辨率不高的σ-z-iso混合坐标模式模拟的海温场和流场均不能令人满意.3)σ-z-iso混合坐标模式上层z坐标的分辨率对模拟效果影响较大,模拟热带太平洋海洋环流和海温应该采用较高上层z坐标分辨率的σ-z-iso混合坐标模式.     

周角坐标系量化图形的全圆组合形式设计

以周角坐标系的全圆坐标网形式为例，阐明周角坐标系量化图形的六种组合功能，创新和丰富了全圆坐标网的构图功能，进一步地增加了图形的信息量，为开发和利用周角坐标系全圆坐标网的组合功能奠定了理论基础     

高校地球概论课程中天球坐标教学浅析

天球坐标是地球概论教学的一个突破口,学好天球坐标对于学习后面章节具有重要意义.从如何建立天球坐标一般模式系入手,介绍各种坐标系下的纬度、经度的特点及不同坐标系间的区别与联系.只有做到找准坐标系和找到表示坐标值的角度两方面才能将天体坐标计算正确.     

全球地形影响大气和海洋经圈环流的耦合模式研究

利用气候系统模式(CESM1.0)研究陆地地形改变对大气?海洋经圈环流的影响。模式首先给出真实海陆分布及陆地地形情况下的大气?海洋气候态, 然后给出平板陆地情况下(陆地海拔均匀10 m)的气候态。与真实世界相比, 平板陆地情形下大气?海洋经圈环流发生重大改变: 首先, 年平均大气对流中心南移到赤道附近, 使得大气哈德雷环流相对于赤道对称; 其次, 海洋的经向翻转流变强, 大西洋经向翻转流完全消失, 取而代之的是在太平洋出现强大的经向翻转流及热盐环流。在平板陆地情形下, 北半球中高纬度大气抬升减弱, 向北的大气热量输送减少, 北半球温度降低, 大气对流中心因而向赤道迁移; 同时, 海洋向极地的热量输送也减弱, 中高纬度海洋变冷, 北太平洋海水密度增加很多, 北大西洋海水密度降低, 导致海洋经向翻转流从大西洋转移到太平洋。     

长江口外近岸环流对厄尔尼诺事件的响应

建立了东中国海环流大模型,在此基础上建立包含长江口、杭州湾及邻近海域在内的区域环流模型,较准确地刻画东中国海外海流系和沿岸流系,以及长江口外精细的流系结构。选择典型厄尔尼诺年,模拟长江口外近岸环流的异常变化,探讨长江口外近岸环流与厄尔尼诺事件的响应关系。研究表明:长江口外近岸环流与厄尔尼诺事件存在强烈的响应关系,冬季厄尔尼诺现象发生时长江口及邻近海域的环流明显减弱;台湾暖流受厄尔尼诺事件影响程度显著,流速减小、流幅变窄,台湾暖流对长江口外近岸环流的影响也因此减弱。