一个两时间层原始方程三维海洋环流模式平台的构建和检验
发布时间：2021-01-20 11:41
本文介绍了一个采用两时间层有限差分格式的、Boussinesq近似的、自由表面、模态分离的、采用地形坐标系的原始方程三维海洋环流数值模式（MASNUM）平台的建立。本文从完整的地球流体力学控制方程组出发,在Boussinesq假定和静力学假定下,详细推导了地形坐标下雷诺平均的海水运动控制方程组,以此建立了模式的数学模型。数值算法上,内外模态的时间差分均采用了两时间层的欧拉前后差分格式（FB）,空间采用Arakawa-C交错网格;为了抑制由于非线性作用产生的短波扰动的增长,构造了在任意海陆分布下保持计算区域内水体体积守恒的空间平滑算法。斜压梯度力项的计算采用三次样条插值的密度雅克比式算法,并对原算法中的调和平均进行了修正,进一步减小了误差；对现有垂向速度的诊断算法中存在的问题进行了详细的检讨,证明在当前模式框架下难以找到一种完美的垂向速度计算方案。本文还对主要热力学变量如海水状态方程和静力稳定度的算法进行了讨论和更新；在前人工作基础上对常用的三大类共18种应用于环流模式的运动学开边界条件进行了归纳、对其构造算法进行了详细的推导,并将其作为子程序编入模式,供不同数值实验调用。模式性能检验方...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)山东省
【文章页数】：234 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
ABSTRACT
摘要
第1章 引言
1.1 国内外海洋环流模式发展概述
1.1.1 海洋环流模式的发展历程
1.1.2 国内的环流模式发展简介
1.2 工作目的和意义
1.3 流体力学数值算法的研究现状
1.3.1 时间差分的隐式和显式
1.3.2 时间差分的两层和三层格式
1.3.3 双曲型方程的特点与空间离散格式
1.3.4 通量形式与守恒型方程
1.3.5 水平交错网格
1.3.6 垂向坐标网格
1.4 MASNUM海洋环流模式的主要数值特点
1.5 MASNUM海洋环流模式的创新点
第2章 海洋运动控制方程组
2.1 海洋运动的特点
2.2 原始方程模型的含义
2.3 z坐标下静压假定的、Boussinesq近似的海水运动控制方程组
2.3.1 质量守恒方程
2.3.2 动量方程组
2.3.3 位势温度方程
2.3.4 盐度方程
2.3.5 预报变量的垂向边界条件
2.4 雷诺平均的海水运动控制方程组
2.5 地形坐标下的雷诺平均海水运动控制方程组
2.5.1 σ坐标介绍及变换方法
2.5.2 σ坐标下的连续性方程
2.5.3 σ坐标下的动量方程
2.5.4 σ坐标下的温盐方程
2.5.5 σ坐标下的垂向边界条件
2.5.6 守恒形式的海水运动方程组
2.5.7 海水状态方程
2.5.8 静力稳定度算法
2.5.9 位温与现场温度的转换算法
2.5.10 海面通量
第3章 地形坐标系下的斜压梯度力算法
3.1 为什么地形坐标下难以准确计算斜压梯度力
3.2 密度的三次样条重构
3.2.1 曲面积分
3.2.2 曲线积分
3.2.3 密度和深度的三次重建
3.2.4 边界处理
3.2.5 垂向积分
3.3 对三次样条插值密度雅克比算法的讨论
3.4 算法性能检验
3.4.1 线性密度层结分布
3.4.2 双曲型密度垂向分布
3.5 减小斜压梯度力计算误差的方法讨论
第4章 模态分离
4.1 海洋波动的特点——为什么要进行模态分离
4.2 外模态运动方程组的导出
4.3 模态分离的数值算法
4.4 两时间层外模态计算格式的稳定性
4.5 外模态对三维流速的调整——为什么要进行流速调整
4.6 垂向速度的误差分析及修正算法
4.7 垂向速度修正导致的温盐平流项的计算偏差
第5章 MASNUM环流模式的数值计算体系
5.1 MASNUM环流模式的时间交错差分算法与蛙跳格式的特性分析
5.2 体积守恒的空间平滑算法
5.3 内模态预报变量的差分方程组
5.4 外模态预报变量的差分方程组
5.5 垂向扩散项的隐式处理
5.6 科氏力项的数值特性
5.7 积分时间步长的确定
5.8 模式流程图
5.9 次网格作用参数化（水平涡旋、波致混合、湍流）
第6章 开边界条件的设置
6.1 开边界条件研究现状
6.2 常见运动学开边界条件的构造方法
6.2.1 辐射边界条件
6.2.2 特征线法（HOC）
6.2.3 松弛法（relaxation method）
6.3 温盐开边界条件
6.4 不同开边界条件的性能比较
6.4.1 Chapman,1985
6.4.2 Roed and Cooper,1987
6.4.3 Paland Matano,1998
6.4.4 Jensen,1998
6.4.5 Palma and Matano,2000
第7章 中国近海潮汐算例
7.1 模型设置
7.2 模拟结果
第8章 黄海冷水团模拟
8.1 模型设置
8.2 模拟结果与观测的比较
第9章 MASNUM环流模式与POM模式的对比
9.1 实验设置
9.2 时间序列比较结果
第10章 结论和未来工作展望
参考文献
作者简介
已发表论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]蛙跳格式的替代方案及其在大气环流模式中的应用[J]. 赵滨,钟青. 气候与环境研究. 2009(01)
[2]我国潮汐潮流区域预报的发展[J]. 方国洪,魏泽勋,王永刚. 地球科学进展. 2008(04)
[3]大气-海浪-海洋环流耦合数值模式的建立及北太平洋SST模拟[J]. 宋振亚,乔方利,雷晓燕,杨永增. 水动力学研究与进展A辑. 2007(05)
[4]黄海冷水团演变过程及其与邻近水团关系的分析[J]. 于非,张志欣,刁新源,郭景松,汤毓祥. 海洋学报(中文版). 2006(05)
[5]波致混合对热带太平洋海气耦合模式中冷舌模拟的改进[J]. 宋振亚,乔方利,杨永增,袁业立. 自然科学进展. 2006(09)
[6]黄海冷水团的季节变化特征及其形成机制研究[J]. 任慧军,詹杰民. 水动力学研究与进展（A辑）. 2005(S1)
[7]黄海冷水团对长江冲淡水扩展的影响[J]. 朱建荣,肖成猷,沈焕庭,朱首贤. 海洋与湖沼. 1998(04)
[8]北黄海冷水团环流结构探讨──潮混合锋对环流结构的影响[J]. 赵保仁. 海洋与湖沼. 1996(04)
[9]黄海冷水团的环流结构[J]. 苏纪兰,黄大吉. 海洋与湖沼. 1995(S1)
[10]黄海西南部陆架锋区锋断面环流数值模拟[J]. 毕亚文,赵保仁. 海洋科学. 1993(06)
本文编号：2988979
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)山东省
【文章页数】：234 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
ABSTRACT
摘要
第1章 引言
1.1 国内外海洋环流模式发展概述
1.1.1 海洋环流模式的发展历程
1.1.2 国内的环流模式发展简介
1.2 工作目的和意义
1.3 流体力学数值算法的研究现状
1.3.1 时间差分的隐式和显式
1.3.2 时间差分的两层和三层格式
1.3.3 双曲型方程的特点与空间离散格式
1.3.4 通量形式与守恒型方程
1.3.5 水平交错网格
1.3.6 垂向坐标网格
1.4 MASNUM海洋环流模式的主要数值特点
1.5 MASNUM海洋环流模式的创新点
第2章 海洋运动控制方程组
2.1 海洋运动的特点
2.2 原始方程模型的含义
2.3 z坐标下静压假定的、Boussinesq近似的海水运动控制方程组
2.3.1 质量守恒方程
2.3.2 动量方程组
2.3.3 位势温度方程
2.3.4 盐度方程
2.3.5 预报变量的垂向边界条件
2.4 雷诺平均的海水运动控制方程组
2.5 地形坐标下的雷诺平均海水运动控制方程组
2.5.1 σ坐标介绍及变换方法
2.5.2 σ坐标下的连续性方程
2.5.3 σ坐标下的动量方程
2.5.4 σ坐标下的温盐方程
2.5.5 σ坐标下的垂向边界条件
2.5.6 守恒形式的海水运动方程组
2.5.7 海水状态方程
2.5.8 静力稳定度算法
2.5.9 位温与现场温度的转换算法
2.5.10 海面通量
第3章 地形坐标系下的斜压梯度力算法
3.1 为什么地形坐标下难以准确计算斜压梯度力
3.2 密度的三次样条重构
3.2.1 曲面积分
3.2.2 曲线积分
3.2.3 密度和深度的三次重建
3.2.4 边界处理
3.2.5 垂向积分
3.3 对三次样条插值密度雅克比算法的讨论
3.4 算法性能检验
3.4.1 线性密度层结分布
3.4.2 双曲型密度垂向分布
3.5 减小斜压梯度力计算误差的方法讨论
第4章 模态分离
4.1 海洋波动的特点——为什么要进行模态分离
4.2 外模态运动方程组的导出
4.3 模态分离的数值算法
4.4 两时间层外模态计算格式的稳定性
4.5 外模态对三维流速的调整——为什么要进行流速调整
4.6 垂向速度的误差分析及修正算法
4.7 垂向速度修正导致的温盐平流项的计算偏差
第5章 MASNUM环流模式的数值计算体系
5.1 MASNUM环流模式的时间交错差分算法与蛙跳格式的特性分析
5.2 体积守恒的空间平滑算法
5.3 内模态预报变量的差分方程组
5.4 外模态预报变量的差分方程组
5.5 垂向扩散项的隐式处理
5.6 科氏力项的数值特性
5.7 积分时间步长的确定
5.8 模式流程图
5.9 次网格作用参数化（水平涡旋、波致混合、湍流）
第6章 开边界条件的设置
6.1 开边界条件研究现状
6.2 常见运动学开边界条件的构造方法
6.2.1 辐射边界条件
6.2.2 特征线法（HOC）
6.2.3 松弛法（relaxation method）
6.3 温盐开边界条件
6.4 不同开边界条件的性能比较
6.4.1 Chapman,1985
6.4.2 Roed and Cooper,1987
6.4.3 Paland Matano,1998
6.4.4 Jensen,1998
6.4.5 Palma and Matano,2000
第7章 中国近海潮汐算例
7.1 模型设置
7.2 模拟结果
第8章 黄海冷水团模拟
8.1 模型设置
8.2 模拟结果与观测的比较
第9章 MASNUM环流模式与POM模式的对比
9.1 实验设置
9.2 时间序列比较结果
第10章 结论和未来工作展望
参考文献
作者简介
已发表论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]蛙跳格式的替代方案及其在大气环流模式中的应用[J]. 赵滨,钟青. 气候与环境研究. 2009(01)
[2]我国潮汐潮流区域预报的发展[J]. 方国洪,魏泽勋,王永刚. 地球科学进展. 2008(04)
[3]大气-海浪-海洋环流耦合数值模式的建立及北太平洋SST模拟[J]. 宋振亚,乔方利,雷晓燕,杨永增. 水动力学研究与进展A辑. 2007(05)
[4]黄海冷水团演变过程及其与邻近水团关系的分析[J]. 于非,张志欣,刁新源,郭景松,汤毓祥. 海洋学报(中文版). 2006(05)
[5]波致混合对热带太平洋海气耦合模式中冷舌模拟的改进[J]. 宋振亚,乔方利,杨永增,袁业立. 自然科学进展. 2006(09)
[6]黄海冷水团的季节变化特征及其形成机制研究[J]. 任慧军,詹杰民. 水动力学研究与进展（A辑）. 2005(S1)
[7]黄海冷水团对长江冲淡水扩展的影响[J]. 朱建荣,肖成猷,沈焕庭,朱首贤. 海洋与湖沼. 1998(04)
[8]北黄海冷水团环流结构探讨──潮混合锋对环流结构的影响[J]. 赵保仁. 海洋与湖沼. 1996(04)
[9]黄海冷水团的环流结构[J]. 苏纪兰,黄大吉. 海洋与湖沼. 1995(S1)
[10]黄海西南部陆架锋区锋断面环流数值模拟[J]. 毕亚文,赵保仁. 海洋科学. 1993(06)
本文编号：2988979
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