海洋内波的控制方程组

从海水质量守恒律、盐量守恒律、动量守恒律、熵变化律和海水状态律出发，给出了低频变密度海洋运动的原始控制方程和它的各类实用形式。在推导的过程中着重明确控制方程各种近似形式的数学物理意义，这使我们在使用这些方程时更严格、更准确。     

长期极值统计理论及其在海洋环境参数统计分析中的应用

海洋环境极值参数(如风速、流速、波高、周期等)在海洋工程设计中具有重要意义。利用次序统计和极值理论方面的较新研究成果，从理论上证明了多种统计分布中Weibull分布是最优的，使长期极值统计建立在一个更坚实的基础上；同时引入基于序列统计的最大似然估计方法。利用大量数据．对最小二乘估计方法和最大似然估计法进行对比分析，指出最大似然估计法是精确估计．而最小二乘估计方法是保守估计。     

南海海面温度与Nio/DMI指数年际变异的相关性分析

利用NCEP的Reynolds最优插值海面温度产品(1981年12月-2004年10月),对南海海表温度场的年际变化与热带太平洋El Ni~no指数(Ni~no1 2,Ni~no3.4,Ni~no5和Ni~no6指数)以及印度洋的偶极子指数(DMI)进行相关性分析。研究表明南海海面温度(SST)的变异与Ni~no1 2指数的变异相关性较强,南海海表温度场平均滞后Ni~no1 2指数4.77个月时,二者相关达到最大,平均为0.60;Ni~no3.4指数次之,南海海洋表层温度距平(SSTA)平均滞后Ni~no3.4指数6.67个月时,二者相关系数最大,平均为0.49。南海海表温度场对应的伴随形态进一步表明,南海随Ni~no1 2,Ni~no3.4指数出现正异常并有增暖现象,其中南海SST异常随Ni~no1 2指数变化的强度更大。并且几乎整个南海区域均超过95%的置信水平,当Ni~no1 2达到1个标准差(即异常增暖1.04℃),南海平均增暖幅度为0.16℃,越南东南外海和南海16°N以北区域SSTA增幅最大为0.20℃。表征西北太平洋海表温度场的Ni~no5和Ni~no6指数对ENSO现象的响应与南海表层温度场线性相关性不显著。研究还表明,南海海表温度场的年际变化与印度洋偶极子指数(DMI)的相关性不强,相关性仅体现在南海的卡里曼丹岛西南角的局部海域。     

大西洋经向翻转环流的模拟对海表驱动场时间和空间分辨率的敏感性分析

基于全球海洋-海冰耦合数值模式,研究了不同时间和空间分辨率的海表驱动场对大西洋经向翻转环流(Atlantic Meridional Overturning Circulation,AMOC)和海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)模拟的影响。敏感性数值实验结果表明,海表驱动场时间和空间分辨率的不同不仅会影响SST的模拟,而且会显著影响AMOC强度的模拟。相比高时间分辨率的海表驱动场,时间和空间分辨率的降低会造成AMOC模拟强度的减弱和SST的升高。月平均驱动场驱动的AMOC比6h分辨率驱动场驱动的控制实验减少6.7Sv,降低了34%;同为6h分辨率,粗空间分辨率大气驱动场模拟的AMOC比高空间分辨率实验减少1.4Sv,降低了7%。对海洋上层流场和海表热通量进一步分析表明,低时间和空间分辨率的海表风场的减弱是导致AMOC减弱和SST升高的主要原因。     

基于z坐标海洋模式的全球正压潮波数值模拟研究

The performance of a z-level ocean model, the Modular Ocean Model Version 4(MOM4), is evaluated in terms of simulating the global tide with different horizontal resolutions commonly used by climate models. The performance using various sets of model topography is evaluated. The results show that the optimum filter radius can improve the simulated co-tidal phase and that better topography quality can lead to smaller rootmean square(RMS) error in simulated tides. Sensitivity experiments are conducted to test the impact of spatial resolutions. It is shown that the model results are sensitive to horizontal resolutions. The calculated absolute mean errors of the co-tidal phase show that simulations with horizontal resolutions of 0.5° and 0.25° have about 35.5% higher performance compared that with 1° model resolution. An internal tide drag parameterization is adopted to reduce large system errors in the tidal amplitude. The RMS error of the best tuned 0.25° model compared with the satellite-altimetry-constrained model TPXO7.2 is 8.5 cm for M_2. The tidal energy fluxes of M_2 and K_1 are calculated and their patterns are in good agreement with those from the TPXO7.2. The correlation coefficients of the tidal energy fluxes can be used as an important index to evaluate a model skill.     

基于非规则类矩形剖分的高效并行海浪数值模式

针对MASNUM全球海浪数值模式,设计了一种负载近绝对均衡的非规则类矩形剖分及计算格点序列化排序与交换方案,建立了高效并行海浪数值模式.基于国家超算济南中心的神威蓝光平台,对建立的全球并行海浪模式进行了1°×1°,(1/2)°×(1/2)°,(1/4)°×(1/4)°和(1/8)°×(1/8)°四种不同水平分辨率的无IO并行测试,测试规模达到131072进程.测试结果表明:随着进程数目的增多,四种分辨率并行模式的计算速度均在提高.当进程数目为基准进程数目的4倍时,四种分辨率的加速效率均在80%以上;当进程数目达到8倍基准进程数目时,1°×1°,(1/2)°×(1/2)°和(1/4)°×(1/4)°三种分辨率加速效率都还在80%以上,而此时(1/8)°×(1/8)°分辨率使用131072进程的加速效率仍可达62%;当进程数目为24倍基准进程数目时,1°×1°分辨率的加速效率可达72%,(1/2)°×(1/2)°分辨率的加速效率为62%,而此时(1/4)°×(1/4)°分辨率使用98304进程的加速效率仍可达到38%.从加速比和加速效率来看,采用非规则类矩形剖分的并行方案可以使得全球海浪数值模式具有高并行效率.     

两种湍流参数化方案针对水体温度演变过程的模拟与比较

依据山东跋山水库的观测数据,采用MY2.5参数化方案和κ-ε参数化方案在不同的表面边界条件下模拟观测的温度剖面演化过程。模拟结果显示,在风应力强迫的表面边界条件下,采用这两种参数化方案的模拟结果差别不大;当考虑Mellor和Blumberg的波浪破碎表面边界条件时,采用MY2.5参数化方案的模拟结果没有明显的改善,但采用κ-ε参数化方案的模拟结果有明显的改善,得到与观测相符的模拟结果。     

海洋表层温度对台风"蔷薇"路径和强度预测精度的影响

基于中尺度大气模式WRF(Weather Research and Forecasting Model),首先对2007年3次船舶辐射通量观测进行模拟,以检验WRF对长波和短波辐射通量的模拟能力,结果表明使用中国近海海洋环境数值预报系统环流模式POM(Princeton Ocean Model)模拟的高时空分辨率的海洋表层温度能够显著改进短波辐射通量的模拟,而对长波辐射通量模拟的改进不明显。然后,将业务化运行的中国近海海洋环境数值预报系统后报的逐时海洋表面温度(SST)作为WRF底边界条件,对2008年15号强台风"蔷薇"(Jangmi)过程进行了数值后报试验。结果表明,与使用NCEP/NCAR的SST试验后报的台风中心位置偏差相比,使用高时空分辨率的SST能够较为显著地改善"蔷薇"的路径模拟,台风中心位置模拟偏差减少11%,尤其在台风减弱阶段,台风中心位置模拟偏差减少37%。台风强度在台风发展的不同阶段对下垫面SST的变化敏感性不同。台风路径附近的海表面温度下降会导致海洋向大气输送的热量减少从而减弱台风强度。     

全球海洋碳循环三维数值模拟研究

基于海洋环流模式POP和生物地球化学模型OCMIP-2,建立了全球海洋碳循环模式,并用于对全球海洋碳循环的模拟研究。该模式在大气CO₂为283×10-6条件下,积分3 100 a,达到工业革命前的平衡态。在此基础上,用历史时期观测的大气CO₂浓度进行强迫,模拟了历史时期的海洋碳循环。模拟的无机碳浓度、总碱度与基于观测得到的结果基本一致,模式能够较好地模拟全球碳循环过程。模拟结果表明,在北半球中高纬度和南半球的中纬度,海洋是大气CO₂的主要汇区;在赤道南北纬20°之间和南大洋50°S以南,海洋表现为大气CO₂的源区。在1980s海洋吸收CO₂速率(以C计)为1.38 Pg/a,1990s为1.55 Pg/a。海洋中人为碳在北大西洋含量最大,向下到达海底并向南输运到30°N附近;在南极附近,浓度较小,深度达到3 000 m;在中纬度,人为碳被限制在温跃层以上。     

波浪水槽中振动格栅湍流特征的实验研究

在波浪水槽中采用格栅振动的方式产生湍流,研究振动格栅产生湍流的特征。本文开展了4类实验,调节测量点到格栅平均位置的距离、格栅振动频率、振动冲程,采用ADV测量水体中单点的脉动速度。实验结果显示,湍流强度在一定范围内随离格栅距离的增大而逐渐减小,随着振动频率的增大而呈幂指数增大,随着振动冲程的增大而呈幂指数增大。同时还比较了两个不同格栅产生湍流的不同。结果显示,在波浪水槽中,振动格栅产生湍流的强度还与格栅的长度尺寸有关,这与在水箱中振动格栅产生湍流的特征不同。