一个区域耦合海气模式及其实验

本文研制了一个区域的简单耦合海气模式,并用来模拟热带太平洋ENSO循环.模式由一层大气模式和一层海洋模式构成.大气模式由运动方程和热力方程组成;海洋模式由运动方程、连续方程和海温方程组成.非绝热加热与风应力构成海气间耦合媒介项,其中大气对海洋的影响以风应力为主,海洋对大气的影响以非绝热加热为主.在理论分析和数值实验的基础上,成功地实现了简单海气耦合模式的正常运转,并且应于对1982-1983年埃尔尼诺现象的数值模拟.对该事件从发展到衰弱的全过程,特别是中期与成熟期获得了良好的模拟效果,显示出本模式的模拟能力,也验证了热带太平洋区域耦合海气作用对ENSO循环的重大贡献.     

基于MCT耦合器的WRF-POM区域海气耦合模式构建及应用

为研究区域海气耦合模式在中尺度海气相互过程中的应用,利用MPI(ModelCouplingToolkit)并行通信技术,构建了基于MCT耦合器的WRF-POM并行区域海气耦合模式,并利用该模式对台风"凤凰"进行了一系列的数值模拟试验。试验结果表明:该耦合模式可以实现稳定高效的并行计算,并较好地再现了台风"凤凰"的活动过程;相对单一的大气模式,耦合模式可以更加准确地模拟出台风"凤凰"的路径和强度,其中不使用"Bogus方案"的耦合试验模拟效果最好,其路径平均绝对误差相对控制试验和使用"Bogus方案"耦合试验分别减小了20.1%和72.5%,强度的平均均方根误差则分别减小了41.4%和17.9%;耦合模式还能较好地再现表层海洋对大气的响应特征:台风大风使得表层流速显著增大,强烈的"抽吸夹卷"效应使得低层较冷海水上翻,海表温度降低,混合层深度增加。     

关于海气耦合模式气候漂移及敏感性的一点探讨

本文从概念性的大气或海洋系统及海气耦合系统出发,通过简单的理论分析指出:用观测气候场作为边界条件来调试大气或海洋模式并非最佳选择;海气耦合漂移是由两部分组成的,其中一部分源于未耦合模式模拟得到的气候状态与观测气候状态之间的系统误差,而另一部分则源于海气系统的非线性相互作用;海面“通量修正”可以消除因模式气候与观测气候之间的系统误差而引起的那部分漂移,但仍保留了海气系统的大部分非线性相互作用项.本文最后利用中国科学院大气物理研究所发展的海气耦合模式进行了敏感性试验,指出耦合漂移受到模式海洋的垂真发辨的率、海洋温盐扩散方案、海气耦合强度等诸多因素的影响.     

海气耦合模式中挟卷参数化的比较

利用美国国家气象中心的综合性大气-海洋资料序列(COADs),采用三种海气耦合模式对海洋挟卷速度的表达方法,计算了实测资料影响下模式挟卷速度的分布特征。利用求得的挟卷速度和由资料序列求得的热量通量分布,采用Niiler—Kraus一维混合层SST预报模式,估计了各种模式扶卷作用对SST的影响。通过比较各个模式的计算结果,提出: 1.挟卷作用是影响SST变化分布的一个重要因子。挟卷速度的分市取决于所采用参数化形式中主要影响因素的分布情况。不考虑平流作用时,模式SST的分布也取决于挟卷参数化形式中主要影响因素的分布。2.由海气耦合不稳定模态的分析得出三个模式对不稳定海气耦合波影响的特征。     

用简单海气耦合模式研究西太平洋暖池的形成机制及其对大气扰动的影响——Ⅰ.简单海气耦合模式的建立(英文)

试图建立一个简单海气耦合模式,其中大气垂直分为两层,为－β平面近似线性模式。在非绝热加热项中包含了对流凝结潜热与大尺度流场之间相互作用的ＣＩＳＫ机制以及蒸发、感热与扰动风场之间的反馈机制,并考虑了东风区与西风区的不同。由于只研究大气的平均纬向运动,故模式大气中仅含有Ｋｅｌｖｉｎ波。海洋模式为一约化重力模式,只保留了Ｒｏｓｓｂｙ波。对这一海气耦合模式进行特征波动分析,发现考虑海气耦合效应并不影响大气波动的性质,在东风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波仍然增幅和东传;在西风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波振幅衰减。但海气耦合效应却使得大气Ｋｅｌｖｉｎ波的传播速度减慢,周期增大。当考虑海气耦合效应时,海洋Ｒｏｓｓｂｙ波的稳定性质发生变化,由原来的中性波动变为非中性波动。在西风区,波数小于某临界波数的长Ｒｏｓｓｂｙ波振幅增大,而短的Ｒｏｓｓｂｙ波振幅衰减。在东风区结论相反。对海气耦合模式中波动的分析,为数值模拟西太平洋暖池的形成及其对大气扰动的影响建立了理论基础。     

涡分辨率海洋模式及其海气耦合模式中吕宋海峡处的黑潮入侵

比较了准全球涡分辨率海洋模式（简记为LICOMH）及其海气耦合模式（简记为LICOMHC）中的黑潮入侵南海与观测中黑潮入侵的差异。我们发现在单独海洋模式中黑潮入侵与观测相比过强,而在其海气耦合模式中这一差异得到了改善。冬季的吕宋海峡输送（LST）在LICOMH中为-8.8×10⁶ m³s^-1,而在LICOMHC中则下降到-6.0×10⁶ m³s^-1 。进一步的研究表明是大尺度风场,局地风应力和吕宋海峡以东中尺度涡旋的共同作用导致了黑潮入侵在两个模式中的不同。LICOMH中吕宋岛东北部相对较强的气旋导致了较弱的黑潮输送及吕宋海峡处较强的黑潮入侵。以上三者共同作用造成的LST差异大约是2.0×10⁶ m³s^-1,与两个模式间的LST差异大小基本相当。进一步对LICOMH与LICOMHC中的EKE收支进行分析表明,LICOMH中更强的EKE输送及斜压转换项导致了黑潮以东存在更强的气旋,而海表风场对两个模式中的涡旋差异贡献极小。     

POAMA海气耦合模式对2003和2004年南海夏季风预报能力的评估

运用澳大利亚大气海洋耦合预报模式（Predictive Ocean Atmosphere Model for Australia,POAMA）的输出结果,采用泰勒图与分类统计分析方法,评估了该模式对2003和2004年南海夏季风的爆发和演变进行实时预报的能力。通过对泰勒图的分析发现,随着预报初始时间越来越接近实际的季风爆发时间,模式预报南海夏季风爆发和演变的能力越来越强。当提前1-30d预报南海夏季风时,模式能够很好地预报风场、射出长波辐射OLR（Outgoing Longwave Radiation）和降水场的空间分布,其中对风场的预报最好。通过对季风爆发指数和分类统计的分析,定量分析了模式预报南海夏季风爆发的能力,结果表明该模式对南海夏季风爆发时间有一定的预报能力,其最大预报时限可以提前10-15d左右,这与目前中期预报的上限（2周）是一致的。     

基于大涡模拟耦合模式的小尺度海气相互作用研究

大气和海洋是影响地球气候系统的两个重要因素,它们之间的相互作用是海洋和大气研究的重要课题,海气耦合模式则是研究海气相互作用的重要工具,而海气耦合模式重点考虑的参数是海气通量。针对传统的大尺度海气耦合模式缺少湍流尺度分析的问题,本文使用并行大涡模拟海气耦合模式（The Parallelized Large-Eddy Simulation Model,PALM）,在小尺度上探究风速对海气通量及湍流动能收支（Turbulence Kinetic Energy Budget,TKE Budget）的影响,设置了5、10和15m/s三种地转风速度对大气边界层（Atmospheric Boundary Layer,ABL）和海洋混合层（Oceanic Mixed Layer,OML）进行海气耦合模拟。研究表明：海气通量的分布与风速大小密切相关,风速越大,净热通量和浮力通量相对越大,由于温度上升导致海水蒸发加剧,使得大气的淡水通量增大;海洋湍流动能收支各项在近海面处受风速影响较大,且随着深度加深而逐渐减弱。本研究初步展示了小尺度海气耦合模式在海气通量研究中的应用,对进行小尺度海气相互作用研究具有一定的意义。     

热带海气耦合波动力学性质研究

本文利用简单海气耦合模式研究了热带大气和海洋不同波动之间的相互作用产生的耦合波及其稳定性等动力学性质,指出热带耦合系统中分别存在一类稳定的和不稳定的海气相互作用模态,其中不稳定模态的传播依赖于扰动的纬向尺度,即5000～10000km扰动表现为不稳定东传,大于此尺度的扰动发生不稳定西传,理论得出的缓慢不稳定东传波和观测事实甚为一致.最后本文指出热带海气耦合不稳定产生的基本条件是一种介质中的Kelvin波和另一种介质中的Rossby波的相互作用.     

Simulation of Typhoon Muifa using a mesoscale coupled atmosphere–ocean model

A mesoscale coupled atmosphere–ocean model has been developed based on the GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction System) regional typhoon model(GRAPES_TYM) and ECOM-si(estuary, coast and ocean model(semi-implicit)). Coupling between the typhoon and ocean models was conducted by exchanging wind stress, heat, moisture fluxes, and sea surface temperatures(SSTs) using the coupler OASIS3.0. Numerical prediction experiments were run with and without coupling for the case of Typhoon Muifa in the western North Pacific. To investigate the impact of using more accurate SST information on the simulation of the track and the intensity of Typhoon Muifa, experiments were also conducted using increased SST resolution in the initial condition field of the control test. The results indicate that increasing SST resolution in the initial condition field somewhat improved the intensity forecast, and use of the coupled model improved the intensity forecast significantly, with mean absolute errors in maximum wind speed within 48 and 72 h reduced by 32% and 20%, respectively. Use of the coupled model also resulted in less pronounced over-prediction of the intensity of Typhoon Muifa by the GRAPES_TYM. Moreover, the effects of using the coupled model on the intensity varied throughout the different stages of the development of Muifa owing to changes in the oceanic mixed layer depth. The coupled model had pronounced effects during the later stage of Muifa but had no obvious effects during the earlier stage. The SSTs predicted by the coupled model decreased by about 5–6°C at most after the typhoon passed, in agreement with satellite data. Furthermore, based on analysis on the sea surface heat flux, wet static energy of the boundary layer, atmospheric temperature, and precipitation forecasted by the coupled model and the control test, the simulation results of this coupled atmosphere–ocean model can be considered to reasonably reflect the primary mechanisms underlying the interactions between tropical cyclones and oceans.     

有限区域大气-海浪耦合模式的建立及海表粗糙度参数化试验

利用LINUX操作系统下的进程通讯(IPC)技术将中尺度大气模式MM5(V3)与第三代海浪模式WW3进行双向耦合,建立考虑大气-海浪相互作用的风浪耦合模式,在耦合模式中引入3种海表粗糙度参数化方案,通过对一次热带气旋过程的模拟,研究大气-海浪相互作用对热带气旋系统的影响及耦合模式对海表粗糙度参数化方案的敏感性。结果表明:LINUX系统下的进程通讯技术可以方便有效地实现大气和海浪模式的双向耦合,模式运行稳定;耦合模式能够较好的模拟热带气旋的发展和演变过程及其影响下海浪场的分布和演变,模拟结果对海表粗糙度参数化方案较敏感;海浪的反馈作用同时影响了海气间的动力和热力作用过程,不同的海表粗糙度参数化方案下,海浪对两种作用过程不同的影响程度决定了其对气旋系统强度的影响。     

基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型

海洋中尺度涡对浮游生物的分布、能量和盐分的输送具有非常重要的影响,海洋中尺度涡的自动检测是监测、分析中尺度涡时空变化的重要基础。针对传统基于物理特征检测海洋中尺度涡的方法存在受限于人工设计参数导致精度不高的问题,本文依据海洋卫星反演的海表面高度图,提出了一种基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型。该模型在海洋中尺度涡的特征提取阶段嵌入了卷积注意力机制,使得模型能够关注于海表面高度图中最具有类别区分度的区域,同时引入了残差学习机制解决了网络过深导致模型难以训练的问题。本文以南大西洋的卫星海表面高度数据集为例开展实验验证,结果表明,本文提出的模型海洋中尺度涡检测准确率达到了93.28%,显著优于EddyNet等现有模型。模型可为海洋学家通过海表面高度探测中尺度涡提供可靠技术方法。     

Modeling of mesoscale coupled ocean–atmosphere interaction and its feedback to ocean in the western Arabian Sea

Observations of the western Arabian Sea over the last decade have revealed a rich filamentary eddy structure, with large horizontal SST gradients in the ocean, developing in response to the southwest monsoon winds. This summertime oceanic condition triggers an intense mesoscale coupled interaction, whose overall influence on the longer-term properties of this ocean remains uncertain. In this study, a high-resolution regional coupled model is employed to explore this feedback effect on the long-term dynamical and thermodynamical structure of the ocean.The observed relationship between the near-surface winds and mesoscale SSTs generate Ekman pumping velocities at the scale of the cold filaments, whose magnitude is the order of 1 m/day in both the model and observations. This additional Ekman-driven velocity, induced by the wind-eddy interaction, accounts for approximately 10–20% of oceanic vertical velocity of the cold filaments. This implies that Ekman pumping arising from the mesoscale coupled feedback makes a non-trivial contribution to the vertical structure of the upper ocean and the evolution of mesoscale eddies, with obvious implications for marine ecosystem and biogeochemical variability.Furthermore, SST features associated with cold filaments substantially reduce the latent heat loss. The long-term latent heat flux change due to eddies in the model is approximately 10–15 W/m² over the cold filaments, which is consistent with previous estimates based on short-term in situ measurements. Given the shallow mixed layer, this additional surface heat flux warms the cold filament at the rate of 0.3–0.4 °C/month over a season with strong eddy activity, and 0.1–0.2 °C/month over the 12-year mean, rendering overall low-frequency modulation of SST feasible. This long-term mixed layer heating by the surface flux is approximately ±10% of the lateral heat flux by the eddies, yet it can be comparable to the vertical heat flux. Potential dynamic and thermodynamic impacts of this observed air–sea interaction on the monsoons and regional climate are yet to be quantified given the strong correlation between the Somalia upwelling SST and the Indian summer monsoons.     

COMCOT数值模式的介绍和应用

介绍了一个成熟的海啸数值模式-COMCOT模式.COMCOT模式是一个能够模拟海啸产生、传播和增水全过程的基于浅水波方程的有限差分模型.模型采用多层网格嵌套,根据海啸在不同区域的传播特点和要求,分别选用不同的分辨率和计算设置,从而兼顾了模式的精度和计算效率.利用此模式模拟了2006年12月26日台湾南部7.2级地震产生海啸波的传播情况,结果与两个潮位站的海啸波监测数据相吻合.     

强对流过程对大尺度模式洋面通量加强的参数化研究与进展

由于地球表面热通量直接决定着大气环流运动,在大气数值模式中如何准确描述地球表面热通量就变处得十分重要.洋面是地球表面最广泛分布的下垫面,它的表面热通量描述尤为被重视.尤其是西赤道太平洋暖池、东赤道太平洋冷舌、ITCZ及信风带等关键区域的洋面热通量的准确估计更是非常重要,这些区域的地表通量变化通常被认为是全球气候变化即ENSO现象的最重要的信号[1].众所周知,中尺度降水对流在以上关键海域频繁发生.中尺度降水对流系统往往有较强的下沉气流(downdraft)[2],这种下沉气流在中尺度降水对流系统与大尺度过程的相互作用中伴演着重要角色.     

The mesoscale variability in the Caribbean Sea. Part I: Simulations and characteristics with an embedded model

The variability in the Caribbean Sea is investigated using high resolution (1/15°) general circulation model experiments. For the first time in this region, simulations were carried out with a 2-way nested configuration of the NEMO primitive equation model. A coarse North Atlantic grid (1/3°) reproduces the main features of the North Atlantic and Equatorial circulation capable of influencing ocean dynamics in the Caribbean Sea. This numerical study highlights strong dynamical differences among basins and modifies the view that dynamics are homogeneous over the whole Caribbean Basin. The Caribbean mean flow is shown to organize in two intense jets flowing westward along the northern and southern boundaries of the Venezuela Basin, which merge in the center of the Colombia Basin. Diagnostics of model outputs show that width, depth and strength of baroclinic eddies increase westward from the Lesser Antilles to the Colombia Basin. The widening and strengthening to the west is consistent with altimetry data and drifter observations. Although influenced by the circulation in the Colombia Basin, the variability in the Cayman Basin (which also presents a westward growth from the Chibcha Channel) is deeper and less energetic than the variability in the Colombia/Venezuela Basins. Main frequency peaks for the mesoscale variability present a westward shift, from roughly 50 days near the Lesser Antilles to 100 days in the Cayman Basin, which is associated with growth and merging of eddies.     

Wave-tide-surge coupled model simulation for Typhoon Maemi

1 IntroductionThe main reason for coupling the tide and surgehydrodynamic model with a surface wave model canbe found in the physical interactions taking place inthe surface and bottom boundary layers. During thesevere storm conditions such interactions a…