大洋环流和海气相互作用的数值模拟  070601M04005H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业核心课 | 任课教师:俞永强,林鹏飞,郑伟鹏,刘海龙,周天军
授课时间: 星期一,第7、8 节
授课地点: 学园三244(机房)
授课周次: 1、2、3、4、6、7、8、10、11、12、13、14、16
授课时间: 星期三,第1、2、3 节
授课地点: 教二楼105
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16
授课时间: 星期六,第7、8 节
授课地点: 学园三244(机房)
授课周次: 5
授课时间: 星期六,第7、8 节
授课地点: 学园三244(机房)
授课周次: 15
授课时间: 星期六,第7、8 节
授课地点: 学园三244(机房)
授课周次: 7
课程编号: 070601M04005H 课时: 80 学分: 5.00
课程属性: 专业核心课 主讲教师:俞永强,林鹏飞,郑伟鹏,刘海龙,周天军 助教:栾贻花
英文名称: Numerical Simulation of the Oceanic General Circulation and Atmosphere-Ocean Interaction 召集人:

教学目的、要求

《大洋环流和海气相互作用的数值模拟》课程设计的思路是:充分利用海洋环流模式和海气耦合模式的模拟结果,结合观测资料,诠释大洋环流和海气相互作用的基本概念和动力学理论,重点分析当代气候数值模拟中几个受关注程度较大的问题,同时介绍有关模式设计和模式评估及其应用的初步知识。本课程可以看作是气候数值模拟的入门课程之一。

预修课程

动力气象学、物理海洋学、计算方法

教 材

张学洪,俞永强,周天军,刘海龙,2013:大洋环流及其海气相互作用的数值模拟讲义,气象出版社,北京,1-298pp..

主要内容

本课程总共分为四部分,共十二章。
第一部分 基础知识
第一章 热带太平洋SST,赤道流系,温跃层和海表高度(6学时)
教学重点与难点:课程简介,热带太平洋海表温度(SST)平衡态、冷舌和暖池;赤道太平洋流系;热带温跃层。 
第1-3学时:
1.1	热带太平洋 SST
1.2	太平洋赤道流系
1.3	热带温跃层
第4-6学时:
1.4	海表高度和温跃层的关系,地转流
1.5	非频散斜压Rossby波
1.6	Kelvin波

第二章 风生环流的Sverdrup 理论(4学时)
教学重点与难点:介绍风生环流的Sverdrup模型;Ekman 输送和Ekman 抽吸;Sverdrup平衡和Sverdrup 输送。 
第1-2学时:
2.1	风生环流
2.2	Sverdrup模型
2.3	Ekman transport和Ekman pumping
2.4	Sverdrup balance and Sverdrup transport
第3-4学时:
2.5	风生洋流的纬向分量
2.6	风应力驱动的Rossby波
2.7	海洋中的西边界强化现象

第三章 风应力,热通量,淡水通量(4学时)
教学重点与难点:介绍风应力的参数化;辐射热通量和湍流热通量;海洋模式和海气耦合模式的区别;大洋环流模式的控制方程组和边界条件。 
第1-2学时:
3.1	风应力
第3-4学时:
3.2	湍流热通量和辐射热通量
3.3	淡水通量

第四章 云对海气相互作用的影响(3学时)
教学重点与难点:介绍云-辐射相互作用对气候系统能量循环和水循环的影响;与云有关的强迫和反馈过程对气候的重要作用;云的形成过程和气候系统模式中云的参数化问题;中国区域云 辐射强迫和反馈的特殊性。 
第1学时:
4.1	云的分类和基本概念
4.2	云对气候系统的调节作用
第2学时:
4.3	云对海温的影响
4.4	云辐射强迫与西太平洋暖池
4.5	气候模式模拟的云辐射强迫反馈
第3学时:
4.6	云辐射强迫与耦合模式的“双热带辐合带”现象
4.7	我国西南长江流域独特的中层云
4.8	高原下游云结构的变化与年代际气候变化
	

第五章 中高纬度海气相互作用(3学时)
教学重点与难点:介绍热带与中高纬度海气相互作用的特征不同;中高纬度大气对海洋的强迫以及海洋的弱反馈作用;热带大洋影响中高纬度海洋变率的“大气桥”理论;国内外相关的数 值模拟研究。 
第1学时:
5.1	大气和海洋中的深对流
5.2	中高纬度海气相互作用的特征
第2学时:
5.3	判断局地海气相互作用是海洋强迫大气还是大气强迫海洋的方法
5.4	北大西洋的海气相互作用
第3学时:
5.5	中纬度海气相互作用的基本特征
5.6	热带海洋对热带外大洋的影响
5.7	北太平洋年代际振荡(PDO)和大西洋年代际振荡(AMO)

第六章 大洋热盐环流(3学时)
教学重点与难点:介绍大洋水团的区分和深层水团的形成;热盐环流的定义及其基本图像;大西洋与太平洋深层环流的区别;大西洋环流的基本观测事实;热盐环流与大洋极向热输送;热盐环流变异与古气候事件的联系;大洋环流模式和海气耦合模式对热盐环流及其变异的模拟。 
第1学时:
6.1	大洋水团
6.2	热盐环流与大洋环流输送带
第2学时:
6.3	大洋环流的经向热输送
6.4	海气耦合模式模拟的热盐环流变率
第3学时:
6.5	热盐环流与气候突变
6.6	全球变暖对热盐环流的影响
6.7	太平洋的经圈环流

上述第一章和第二章介绍热带太平洋风生环流(Wind–Driven Circulation) 的主要事实、基本概念和理论,尤其侧重那些和ENSO(El Ni?o-Southern Oscillation)有关的基础知识。第三章介绍风应力、热通量和淡水通量的基本概念和参数化表示,它们是了解海气相互作用方式和模式运行方式的基础。海气间的热量交换会受到云的强烈影响,这是第四章讨论的重点。第五章介绍热带以外地区的海气相互作用和热带海气相互作用的区别和联系。第六章介绍热盐环流(thermohaline circulation)的概念、事实及其在全球变暖(global warming)过程中的潜在作用,这部分内容将较多涉及大西洋深层环流。

第二部分 模式介绍
第七章 大洋环流模式设计初步(4学时)
教学重点与难点:介绍大洋环流模式的发展历史;基本近似和假定、方程组和边界条件;“刚盖近似(rigid-lid)”近似和自由面模式,LASG全球海洋模式简介;海洋模式差分格式设计要点;初步熟悉和使用海洋模式LICOM。 
第1-2学时:
7.1	引言
7.2	基本近似和假定、方程组和边界条件
7.3	海表高度的预报方程和表面重力波
第3-4学时:
7.4	“刚盖”近似,Bryan-Cox-Semtner模式
7.5	差分方法的初步知识
附录7.1	波动方程和计算稳定性概念
附录7.2	自由面模式的模态分解算法
附录7.3	保形平流方案简介


第八章 海洋模式中的参数化过程(4学时)
教学重点与难点:介绍水平动量摩擦的参数化:常系数方案和非常系数方案;中尺度涡的参数化:“Eddy-topography interaction”方案和“Eddy-induced transport”方案(即GM90)的基本原理;海表混合层参数化:块体方案、K理论和湍流闭合方案的原理;海洋混合过程参数化研究的现状。 
第1-2学时:
8.1	引言
8.2	次网格过程参数化
第3-4学时:
8.3	对流调整
8.4	短波辐射穿透参数化方案
	
第九章 海冰及其数值模拟(3学时)
教学重点与难点:海冰在气候系统中的作用和海冰变化的观测事实;海冰变化的热力学过程和动力学过程及其数值模拟;应用于气候研究的主要海冰模式简介。 
上述三章将择要介绍大洋环流模式(包括海冰部分)的原理和构成。
第1学时:
9.1	引言
9.2	海冰在气候系统中的作用
第2-3学时:
9.3	影响海冰变化的热力学过程和动力学过程及其数值模拟
9.4	应用于气候研究的海冰模式
	

第三部分 典型问题模拟
第十章ENSO的数值模拟(4学时)
教学重点与难点:介绍El Nino-Southern Oscillation(ENSO)事件的基本观测事实和有关理论;LASG/IAP大洋环流模式和海-气耦合模式对ENSO事件及其与热带印度洋偶极子 相互关系的模拟;目前世界上主要的海气耦合模式模拟ENSO事件的能力及存在的问题;利用海洋模式进行风应力强迫的敏感性试验。 
第1-2学时:
10.1	引言
10.2	热带太平洋的平均气候状态
10.3	ENSO循环的基本特征
10.4 	海洋的赤道波系
第3-4学时:
10.5	热带海气相互作用的基本理论
10.6	海洋环流模式(OGCM)模拟的El Ni?o事件
10.7	LASG耦合模式模拟的ENSO事件
10.8	总结及未来研究展望

第十一章 印度尼西亚贯穿流的模拟(3学时)
教学重点与难点:介绍印度尼西亚贯穿流(ITF)的基本观测事实;“岛屿定律”;ITF在两大洋交换中的作用;ITF年际变化与ENSO事件的关系及其气候意义;发展高分辨率 海洋模式的必要性;LASG/IAP海洋环流模式对ITF的模拟;LASG/IAP和LMD海气耦合模式对ITF的模拟。 
第1学时:
11.1	引言
11.2	ITF的气候意义和驱动机制
第2-3学时:
11.3	ITF的气候平均和变化特征 — 观测结果
11.4	ITF的数值模拟研究

	
第十二章 全球变暖的事实、原因及其模拟(4学时)
教学重点与难点:介绍20世纪全球平均表面温度变化的观测事实和“增强温室效应”的概念;海洋在全球变暖中的作用;未来气候变化的‘projection’的概念;利用LASG/IAP耦合气候模式模拟的20世纪气候演变和推测21世纪的气候变化;有关的国际合作计划的介绍。
第1-2学时:
12.1	引言
12.2	气候变化的观测事实
第3-4学时:
12.3	什么是温室效应?
12.4	全球变暖的数值模拟
12.5	数值模拟中的不确定性以及关于全球变暖的争议

第四部分 上机实习(30学时)
教学重点与难点:在《大洋环流》课堂讲授内容的基础上,通过上机实际操作,让学生更加直观地了解模式的架构、程序代码、运行的基本流程和计算机资源需求;掌握模式编译、运行以及代码修改等基本操作;熟悉和应用模式开展数值模拟试验、分析模拟结果并解释其物理机制。实习课的内容包括有更详细的模式介绍和应用,试验分析和物理机制解释,这是对课堂教学的中“模式原理”和“典型问题的模拟”的补充,通过实际操作加深对这两部分知识内容的理解,并利用海气相互作用的“基础知识”对模拟结果进行解释,有利于促进相关知识内容的融会贯通。
实习形式:虚拟机环境、国科大计算中心;以个人或实习小组的形式(自由组合,每组不超过4人),完成所有上机实习模拟试验。选择模拟试验中的2-3组敏感性试验进行分析,按要求完成实习报告。
第1-2学时:
1.	海洋环流模式
2.	海洋模式LICOM的发展
第3-4学时:
1.	LINUX基本操作介绍
2.	常用数据分析软件介绍
第5-6学时:
1.	LICOM模式介绍:设计思想和程序结构
2.	LICOM模式介绍:模式物理框架、基本假设、参数化方案等
第7-8学时:
1.	计算环境与相关编译库
2.	LICOM程序安装、编译与上机操作
第9-10学时:
1.	外强迫场、初始场等数据
2.	对照试验开展
第11-12学时:
1.	串行和并行介绍
2.	试验的监控和结果分析
第13-16学时:
1.	敏感性试验之一:风应力变化试验设计
2.	敏感性试验之一:试验实现和分析
第17-20学时:
1.	敏感性试验之二:淡水通量设计和改变
2.	敏感性试验之二:关键代码解读和试验实现
第21-24学时:
1.	敏感性试验之三: 全球变暖试验设计
2.	敏感性试验之三: 海表强迫场准备与试验实现
第25-26学时:
1.	海气耦合模式介绍
2.	高分辨率模式介绍
第27-30学时:
1.	实习报告写作
2.	综合答疑与讨论

复习(3学时)
全面回顾大洋环流课程课堂讲授知识要点,明确期末考试题型、分值分布。

期末考试:(2学时)
闭卷形式。

教学手段与方法:课堂讲授、上机实习为主、课堂讨论为辅
考核方式:上机实习报告(占总成绩30%)、期末闭卷考试(占总成绩70%)

参考文献

1. Stewart, R.H., 2004, Introduction to Physical Oceanography, pdf version, available at http://www-ocean.tamu.edu/education/common/notes/PDF_files/book_pdf_files.html.

2.刘海龙、俞永强、李薇、张学洪,2003:LASG/IAP气候系统海洋模式(LICOM1.0)参考手册,大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)技术报告特刊,北京,科学出版社,106 页.

3.Zhang X H, Shi G Y, Liu H, Yu Y Q, (Eds). 2000: IAP Global Ocean-Atmosphere-Land System model. Science Press,Beijing, 252pp.

4.叶安乐、李风岐编著,1992:物理海洋学,青岛海洋大学出版社,青岛,684页

5.Tomczak M., and J.S. Godfrey. 2001. Regional Oceanography: AnIntroduction, pdf version 1.0, available athttp://www.es.flinders.edu.au/~mattom/regoc/pdfversion.html