（流体力学专业论文）HYCOM模式对黑潮的气候态模拟.pdf

h y c o m 模式对黑潮的气候态模拟 h y c o m 模式对黑潮的气候态模拟 摘要 黑潮是太平洋一支强的西边界流。它不但影响全球的气候变化，而且对东 亚的区域气候有重要的影响。从目前的黑潮研究成果来看，多数学者使用的模 式为传统的垂向单一坐标模式。但由于黑潮流域海底地形陡变和强斜压效应等 特点，利用单一的z 坐标或s i g m a 坐标进行计算都会遇到困难。i s o p y c n i c 模式 虽然克服上述缺点，但是它在浅海海域存在垂向分层处理的困难。为了避免这 些问题，本文尝试采用h y c o m 垂向混合坐标海洋模式模拟黑潮流系，检验模 式对黑潮和我国近海环流主要特征的模拟能力。 本文首先应用h y c o m 模式模拟赤道及北太平洋海域，通过模拟结果与观 测数据的比较，确定模式海表通量资料的选用和参数化方案的选取。然后采用 嵌套技术进行黑潮的气候态模拟。将分辨率为l 。1 0 c o s 0 ( 口是纬度) 的赤道及 北太平洋海域设为大区，通过三层嵌套将黑潮流域的水平计算分辨率提高到 l 8 。l 8 0 c o s 0 。 通过上面的设置，我们很好的模拟了赤道及北太平洋和黑潮基本的空间特 征和季节变化特征，得到以下的结论： 1 ) 非常数的块体参数化方案优于常数块体参数化方案；在太平洋4 0 。n 2 0 。s 区域内，采用前者得到的年平均海表温度比p a t h f i n d e r 卫星资料高约o 2 1 ， 而采用后者得到的年平均海表温度比p a t h f i n d e r 卫星资料高约o 6 3 。 2 ) h y c o m 数值模式很好的模拟了赤道及北太平洋的气候态海表温度变 化、西太平洋暖池空间分布的月变化和赤道流系的空间分布及季节变化规律。 特别是实验2 ( 采用c o a d s 数据集和非常数块体参数化方案) ，在太平洋4 0 。 n 2 0 。s 区域内，冬春两季平均s s t 仅比p a t h f i n d e r 卫星数据集高0 0 2 。 3 ) 不同的海气通量数据会对模式结果产生明显的影响。对比采用c o a d s 数据集的实验2 结果与采用e c m w f 数据集的实验4 结果可以发现，在模式大 区的西北部，实验2 比实验4 的年平均s s t 高约1 ；在模式大区的东南部， 实验4 比实验2 的年平均s s t 高约1 。两者差的最大值出现在5 8 。n 、1 4 0 。 e 附近及中国渤海，约为4 v ( 实验2 比实验4 的年平均s s t 高约4 。c ) 。 i t y c o m 模式对黑潮的气候态模拟 4 ) 模式水平分辨率的提高对黑潮模拟结果的改进主要表现在黑潮流径、流 速和垂向水体结构。这些改进主要由两方面的原因引起：地形分辨率的提高和 改善的斜压效应。概括来说，粗网格模式低估了黑潮的斜压结构。这是因为粗 网格不能很好的描述黑潮流域大的地形坡度变化。因此可以推论，东中国海段 黑潮满足地转平衡，弱的水平密度梯度将减弱斜压效应。高分辨率的模式改善 了较弱的斜压现象，较真实的刻画了跨陆架的密度分布特征。 5 ) 高分辨率模式( 分辨率为1 8 0 l 8 0 c o s 0 ) 模拟结果再现了p n 段面的 水体垂向结构。基本反映了p n 断面流速和流量的季节变化特征。夏季流速最 强、流量最大，秋季流速最弱、流量最小，冬、春两季处于过渡期。模式结果 还表明，黑潮的东侧存在稳定的逆流黑潮逆流。它的流速和流量都比较稳 定，夏季流速略大。值得指出的是，模式在冬季模拟出p n 断面流速存在双核 结构。 关键词：h y c o m 模式；黑潮；嵌套技术 k u r o s h i oc l i m a t o l o g i c a ls i m u l a t e du s i n gah y b r i d c o o r d i n a t eo c e a nm o d e l ( h y c o m ) a b s t r a c t k u r o s h i oi sam a i nb r a n c ho fw e s t e r nb o u n d a r yc u r r e n t i tn o to n l yi n f l u e n c e s t h eg l o b a lc l i m a t ev a r i a t i o n ，b u ta l s op l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nr e g i o n a lc l i m a t eo f t h ee a s ta s i a s e e i n gf r o mp r e s e n tr e s e a r c hf r u i to fk u r o s h i o ，m o s to ft h es c h o l a r s u s et h em o d e lo ft r a d i t i o n a l s i n g l ev e r t i c a lc o o r d i n a t e b u t ，b e c a u s eo fs u c h c h a r a c t e r i s t i c so fk u r o s h i oa r e aa ss u d d e n l yc h a n g i n go fs e a b e dt o p o g r a p h ya n d s t r o n gb a l o c l i n i c a lc h a r a c t e r i s t i c i ti sd i f f i c u l tt od e a lw i ms e a b e dt o p o g r a p h yu s i n g z - l e v e lm o d e la n dt oc a l c u l a t ep r e s s u r eg r a d i e n tu s i n gs i g m am o d e l a l t h o u g h i s o p y c n i cm o d e lc o n q u e rt h ea b o v es h o r t c o m i n g ，i ti sd i f f i c u l tt od e a l w i t ht h e p r o b l e mo fv e r t i c a ll a y e r si ns h a l l o ws e a i no r d e rt oa v o i dt h e s ep r o b l e m s ，t h e a u t h o r st r yt os i m u l a t ek u r o s h i oc u r r e n t su s i n gh y c o m h y b i r d sv e r t i c a lc o o r d i n a t e m o d e l ，a n de x a n lt h es i m u l a t i n ga b i l i t yo ft h em o d e lt os i m u l a t ek u r o s h i oa n d c h i n e s ec o a s t a lc u r r e n t s a h y b r i dc o o r d i n a t eo c e a nm o d e l ( h y c o m ) i su s e dt os i m u l a t et h et r o p i c a l a n dn o r t hp a c i f i c t h em o d e ls i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dt oo b s e r v a t i o nd a t a s e t ( p a t h f i n d e rs s t ) t oc o n f i r ma i r - s e af l u x e sd a t as e t sa n db u l kp a r a m e t e rf o r m u l a s 。 t h e n ，at r i p l yn e s to c e a ng e n e r a lc i r c u l a t i o nm o d e l w a su s e dt o s i m u l a t et h e c l i m a t o l o g i c a lk u r o s h i o t h em o d e lr e s o l u t i o ni n c r e a s e s f r o mi o x l 。c o s 0 ( 0i s l a t i t u d e ) t o1 1 8 0 i 8 0 c o s o t h e t r o p i c a la n d n o r t h p a c i f i c i s n e s t i f r o mt h ea b o v ec o n f i g u r a t i o n ，t h em o d e ls u c c e s s f u l l ys i m u l a t e st h et r o p i c a l a n dn o r t hp a c i f i ca n dk u r o s h i os p a c ed i s t r i b u t i o na n ds e a s o n a lv a r i a t i o n t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a n b ed e d u c e df r o mt h en u m e r i c a lr e s u l t s ： ( 1 ) t h en u m e r i c a lr e s u l t su s i n gn o n - c o n s t a n tb u l kp a r a m e t e rf o r m u l aa r em u c h b e t t e rt h a nt h o s eu s i n gc o n s t a n to n e i nt h ep a c i f i cf r o m4 0 0 nt o2 0 。s ，t h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h es a t e l l i t e - b a s e ds s tc l i m a t o l o g y ( t h ep a t h f i n d e rd a t a ) a n dt h ea n n u a l a v e r a g es s to b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n tu s i n gn o n c o n s t a n t b u l kp a r a m e t e r f o r m u l ai s0 ，2 1 。c h o w e v e r , i ti so 6 3 。cf o rt h ee x p e r i m e n tu s i n gc o n s t a n to n e ( 2 ) h y c o ms u c c e s s f u l l ys i m u l a t e st h em o n t h l yv a r i a t i o no f c l i m a t o l o g i c a ls s t a n dm o n t h l ys p a t i a lv a r i a t i o no ft h ew e s t e r np a c i f i cw a r mp o o la n dt r o p i c a lc y c l e e s p e c i a l l yi nt h ep a c i f i cf r o m4 0 。3 t o2 0 。s ，t h ed i f f e r e n c eo ft h es e a s o n a la v e r a g e s s tb e t w e e np a t h f i n d e rd a t aa n dt h er e s u l to f e x p e r i m e n t2 ( u s i n gc o a d sd a t as e t a n dn o n - c o n s t a n tb u l kp a r a m e t e rf o r m u l a ) i so n l ya b o u t0 0 2 0 c ( 3 ) t h es i m u l a t i o nr e s u l t su s i n gd i f f e r e n ta i r - s e af l u xd a t aa r ed i f f e r e n ta n dt h e d i f f e r e n c ei sv e r yl a r g ei ns o m er e g i o n s i nt h en o r t h w e s to fm o d e lr e g i o n , t h e a n n u a la v e r a g es s to b t a i n e df r o me x p e r i m e n t2 ( c o a d s u s e d ) i si o cl a r g e rt h a n t h a to b t a i n e df r o me x p e r i m e n t4 ( e c m w f u s e d ) c o n t r a r i l y , t h er e s u l to fe x p e r i m e n t 4i si o cl a r g e rt h a nt h a to fe x p e r i m e n t2i nt h es o u t h e a s to fm o d e lr e g i o n t h e l a r g e s td i f f e r e n c ei sa b o u t4 0 co c c u r r e dn e a r ( 5 8 0 n ，14 0 0 e ) a n dt h eb o h a i s e a ( 4 ) t h ei n c r e a s eo fm o d e lh o r i z o n t a lr e s o l u t i o ng r e a t l ya f f e c t st h ep a t h ，t h e c u r r e n ti n t e n s i t y , a n dt h ev e r t i c a ls h e a ra s s o c i a t e dw i t lt h ek u r o s h i o ，a l lo fw h i c h 蛳o a c h t h eo b s e r v e df o u n dt oc o n t r i b u t et ot h i si m p r o v e m e n t ：o n ei st h ei n c r e a s e d r e s o l u t i o no ft h em o d e lt o p o g r a p h y , a n dt h eo t h e ri st h e i m p r o v e m e n to ft h e b a r o c l i n i cs t r u c t u r eo ft h em o d e lk u r o s h i o i n g e n e r a l ，t h ec o a r s e g r i dm o d e l u n d e r e s t i m a t e st h eb a r o c l i n i cs t r u c t u r eo ft h ek u r o s h i o t h i si sb e c a u s et h e c o a r s e - g r i dm o d e lc a n n o tr e p r o d u c et h el a 喀eh o r i z o n t a lg r a d i e n to fd e n s i t yf i e l d a c r o s st h ek u r o s h i o s i n c et h ek u r o s h i oi nt h ee c si sa p p r o x i m a t e l yi ng e o s t r o p h i c b a l a n c e ，aw e a k e rh o r i z o n t a ld e n s i t yg r a d i e n tc o r r e s p o n d st oam o r eb a r o t r o p i e n a t u r eo ft h ek u r o s h i o t h eh i 曲- r e s o l u t i o nm o d e li m p r o v e st h i sw e a kb a r o c l i n i c i t y o f t h ec u r r e n tb yr e a l i z i n gs h a r pa n dr e a l i s t i cd e n s i t yf r o n t sa c r o s st h es h e l f b r e a k ( 5 ) n e s t 3m o d e l ( r e s o l u t i o ni s1 8 。x 1 8 。c o s o ) r e s u l t sc o m m e n d a b l ys i m u l a t e t h ed i s t r i b u t i o na n ds e a s o n a lv a r i a t i o no fs u r f a c et e m p e r a t u r ei nt h ey e l l o ws e aa n d t h ee a s tc h i n as e a s s td i s t r i b u t i o ns h o w st h a tt h ec h a r a c t e r i s t i co fs m a l lm o n t h l y v a r i a t i o ni nw i n t e ra n ds u m m e r , a n dl a r g em o n t h l yv a r i a t i o ni ns p r i n ga n da u t u m n i n w i n t e r , s s ti so b v i o u s l yi n f l u e n c e db yc u r r e n t , a n dm a n i f e s t st h es t r u c t u r eo fm a n y w a r l na n dc o l dw a t e rt o n g u e s w h i l ei ns u m m e r , b e c a u s eo ft h eu p w e l l i n go fc o l d w a t e ra r i s i n gf r o mw a t e rm i x i n g ，s s tm a n i f e s t st h es t r u c t u r eo fm a n yc o l dw a t e r c e n t e r s ( c l o dw a t e rz o n e s ) ( 6 ) n e s t 3 ( r e s o l u t i o ni s i g 。xi 8 。c o s o ) m o d e lr e s u l t sr e p r o d u c et h ew a t e r v e r t i c a ls t l a l e t u r eo fp ns e c t i o n , a n dg e n e r a l l yr e f l e c ts e a s o n a lv a r i a t i o nr u l eo f c u r r e n tv e l o c i t ya n dc u r r e n tf l u xa tp ns e c t i o n i ns u m m e r , c u r r e n tv e l o c i t yi st h e s t r o n g e s ta n d c n r r e n tf l u xi st h el a r g e s t ，w h i l ei na u t u m n ，c u r r e n tv e l o c i t yi sw e a k e s t a n dc n r r e n tf l u xi st h el o w e s t ，a n dt h ev a l u e si nw i n t e ra n ds p r i n ga r eb e t w e e nt h o s e o fs u m m e ra n da u t u m n t h em o d e lr e s u l t sa l s os u g g e s tt h a tt h e r ei ss t e a d yc o u n t e r c u r r e n t - k u r o s h i oc o u n t e r c u r r e n ti nt h ee a s to fk u r o s h i o i t sc u r r e n tv e l o c i t ya n d c u r r e n tf l u xa r eb o t hs t e a d y , c u r r e n tv e l o c i t yi ns u m m e ri sal i t t l el a r g e r i ti sw o r t ht o p o i n to u tt h a tt h em o d e lc a ns i m u l a t et h ed o u b l ec o r es t r u c t u r eo fc u r r e n tv e l o c i t ya t p ns e c t i o n k e y w o r d ：h y c o m ；k u r o s h i o ；n e s tt e c h n o l o g y 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得挂i 垫漫直墓地盘噩挂剔直明 的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：南d 磅 签字日期舭胡年z 月7 日签字日期m ，b7 年 月日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：南啬观， 签字吼叶月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签字：遥感峦 签字日期：叼年月7 日 电话： 邮编 h y c o m 模式对黑潮的气候态模拟 0 前言 随着数值模式的快速发展和计算机性能的提高，数值模式在海洋科学和工 程中应用越来越广泛，海洋数值模式在定量和预测海洋动力过程的研究和应用 中以起着不可替代的作用。 海洋数值模式按不同的垂向坐标可划分为三类：水平坐标( z - l e v e l ) 模式， s i g m a ( t e 仃a i n - f o l l o w i n gc o o r d i n a t c ) 坐标模式，和等密度( i s o p y c n i cc o o r d i n a t e ) 坐标模式。单独使用某种坐标的模式我们称其为传统模式。欧洲( d y n a m i c so f n o r t ha t l a n t i cm o d e l s d y n a m o ) 和美国( d a ma s s i m i l a t i o na n dm o d e l e v a i n a t i o ne x p e r i m e n t d a m e e ) 的模式比较实验表明：传统模式的垂向坐标 ( z - l e v e l ，s i g m a , i o p y c n i e ) 都不能很好地适用于整个海洋。一个理想的全球海洋 模式应该具有如下的特征：1 ) 能够长时间地保持水团的性质( i s o p y c n i c 坐标 的特征) 。2 1 提供垂向高分辨率的海表混合层( z - l e v e l 坐标的特征) 来适用热 力学和生物化学过程。3 ) 在弱稳定或不稳定的海域保持充分高的分辨率。4 ) 在海岸地区有较高的垂向分辨率( s i g m a 坐标的特征) 。而h y c o m ( h y b 棚 c o o r d i n a t eo c e a nm o d e l ) 模式特殊的垂向混合坐标，正能满足上面4 个特征。 所谓的垂向混合坐标，是指水平( z - l e v e l ) 坐标、s i g m a ( t e r r m n f o l l o w i n g c o o r d i n a t e ) 坐标和等密度( i s o p y c n i cc o o r d i n a t e ) 坐标的联合使用。在开阔的 海域采用等密度坐标，在近岸海域才用s i g m a 坐标，而在混合层和层结不稳定 的海域才用水平坐标。 混合坐标的出现，将采用等密度坐标的海洋环流模式( 如：m i a m ii s o p y c n i c c o o r d i n a t eo c e a nm o d e l 、n a v yl a y e r e do c e a nm o d e l ) 扩展到浅海和层结不稳定 海域。b l e c k 和b o u d r a ( 1 9 8 1 ) 和b l e c k 和b e n j a m i n ( 1 9 9 3 ) 奠定了混合坐标的 理论基础。 黑潮是太平洋一支强的西边界流。它不但影响全球的气候变化，而且对东 亚的区域气候有重要的影响。黑潮源于北赤道流( n e c ) 在菲律宾海域的北向 分支( n i t a n i ，1 9 7 2 1 ，它由台湾东侧进入东中国海的东侧后大致沿最大地形坡 折流向东北，后经吐噶喇海峡，沿着日本南部海岸加速向东偏转。最后，它离 h y c o m 模式对黑潮的气候态模拟 开本州岛( 日本最大的岛屿) 流入太平洋形成黑潮延伸体。我国从2 0 世纪8 0 年代中期开始多次对其进行联合调查研究( 苏纪兰，袁耀初等，1 9 9 4 。袁耀初， 苏纪兰，2 0 0 0 ) ，逐步深入地揭示了黑潮的海流状况、水文特征、垂直结构等， 为探索黑潮流域洋流变化的规律奠定了基础。 近年来，基于黑潮的研究多数学者使用传统的垂向单一坐标模式( 如：p o m 模式( 乔方利等，1 9 9 8 ) 、p o m 嵌套模式( g u oe ta 1 ，2 0 0 3 ) 、m o m 2 模式( 许 东峰，袁耀初，1 9 9 8 ) 、m i c o m 模式( 张蕴斐等，2 0 0 3 ) ) 。但由于黑潮流域海 底地形陡变和强斜压性等特点，造成z q e v e l 模式海底地形处理和s i g m a 模式压 强梯度力计算的困难。i s o p y c n i c 模式虽然克服上述的缺点，但是它在浅海海域 存在垂向分层处理的困难。为了避免这些问题，本文尝试采用h y c o m 混合垂 向坐标海洋模式模拟黑潮流系，检验模式对黑潮和我国近海环流的主要特征的 模拟能力。 本文首先应用h y c o m 模式模拟赤道及北太平洋海域，通过模拟结果与观 测数据的比较，确定模式海表通量资料的选用和参数化方案的选取。然后采用 嵌套技术进行黑潮的气候态模拟。将分辨率为l o x l o c o s 0 ( 口是纬度) 的赤道及 北太平洋海域设为大区，通过三层嵌套将黑潮流域的水平计算分辨率提高到 1 8 。l 8 0 c o s 口。 通过上面的设置，我们很好的模拟了赤道及北太平洋和黑潮基本的空间特 征和季节变化特征，得到以下的结论： 1 ) 非常数块体参数化方案优于常数块体参数化方案；在太平洋4 0 。n 2 0 。s 区域内，采用前者得到的年平均海表温度比p a t h f i n d e r 卫星资料高约0 2 1 ， 而采用后者得到的年平均海表温度比p a t h t m d e r 卫星资料高约0 6 3 。c 。 2 ) h y c o m 数值模式很好的模拟了赤道及北太平洋的气候态海表温度变 化、西太平洋暖池空间分布的月变化和赤道流系的空间分布及季节变化规律。 特别是实验2 ( 采用c o a d s 数据集和非常数块体参数化方案) ，在太平洋4 0 。 n 2 0 。s 区域内，冬春两季平均s s t 仅比p a t h f i n d e r 卫星数据集高o 0 2 。 3 ) 不同的海气通量数据会对模式结果产生明显的影响。对比采用c o a d s 数据集的实验2 结果与采用e c m w f 数据集的实验4 结果可以发现，在模式大 区的西北部，实验2 比实验4 的年平均s s t 高约1 ；在模式大区的东南部， 2 h y c o m 模式对黑潮的气候态模拟 实验4 比实验2 的年平均s s t 高约1 。两者差的最大值出现在5 8 。n 、1 4 0 。 e 附近及中国渤海，约为4 c ( 实验2 比实验4 的年平均s s t 高约4 ) 。 4 ) 模式水平分辨率的提高对黑潮模拟结果的改进主要表现在黑潮流径、流 速和垂向水体结构。这些改进主要由两方面的原因引起：地形分辨率的提高和 改善的斜压效应。概括来说，粗网格模式低估了黑潮的斜压结构。这是因为粗 网格不能很好的描述黑潮流域大的地形坡度变化。因此可以推论，东中国海段 黑潮满足地转平衡，弱的水平密度梯度将减弱斜压效应。高分辨率的模式改善 了较弱的斜压现象，较真实的刻画了跨陆架的密度分布特征。 5 ) 高分辨率模式( 分辨率为l 8 。x l 8 。c o s 8 ) 模拟结果再现了p n 段面的 水体垂向结构。基本反映了p n 断面流速和流量的季节变化特征。夏季流速最 强、流量最大，秋季流速最弱、流量最小，冬、春两季处于过渡期。模式结果 还表明，黑潮的东侧存在稳定的逆流黑潮逆流。它的流速和流量都比较稳 定，夏季流速略大。值得指出的是，模式在冬季模拟出p n 断面流速存在双核 结构。 本论文第一章介绍h y c o m 模式及其发展与应用；第二章对赤道及北太 平洋海域进行气候态的数值模拟。第三章为黑潮的气候态数值模拟，使用三重 嵌套技术将第二章的结果作为第一重嵌套，将水平分辨率从大区模式的 1 0 l o c o s 0 提高n d , 区的1 8 。x l 8 0 c o s 0 。第四章为论文结论和展望。 h y c o m 模式对黑潮的气候态模拟 1 模式简介及应用 m i c o m ( t h em i a m ii s o p y c n i e c o o r d i n a t eo c e a nm o d e l ) 数值模式是常用的 海洋环流模式之一，其模式的能力得到了充分的证实，目前多用于海洋气候的 研究。h y c o m ( t h e h y b r i dc o o r d i n a t eo c e a nm o d e l ) 数值模式保留了m i c o m 数值模式的优点，1 1 0 在开阔、层结稳定的海域采用垂向等密度坐标。同时 h y c o m 数值模式也对m i c o m 数值模式做了改进，在层结较弱的海洋上混合 层，将垂向等密度坐标平滑地过渡到z 坐标。在浅水海域( 地形变化强烈的海 域) 垂向用s i g m a 坐标与等密度坐标连接，在更浅的海域s i g m a 坐标过渡到z 坐 标。通过这样的改进，h y c o m 数值模式克服了m i c o m 数值模式在浅海海域 垂向分层过薄的缺点( w a l l c r a f t ，2 0 0 2 ) 。h y c o m 数值模式另一个重要的改 进是提供了多种湍封闭方案，来解决上混合层和层化相对较弱区域的跨等密度 面混合问题。例如，k - t 和k p p ( l a r g e ，e ta 1 ，1 9 9 4a n d1 9 9 7 )方案等。 h y c o m 包括了五个预报方程：两个运动方程( 方程1 ) ，一个连续方程( 方 程2 ) 和两个热传导方程( 方程3 ) ，例如盐度和温度或盐度和密度。模式的方 程用( x ，y ，z ) 坐标书写，s 是垂向坐标( 等密度坐标、s i g m a 坐标或水平坐标) 。 篝+ v ，了2 + ( f + ，) 石矿+ f 鱼a t 鱼a s ) 1 盟a p + v ，m p v ，口= 一g 篙+ ( 砉) _ v ，( y 塞v ，矿) 。， 毒( 塞) + 可s ( _ 考 + 丢( 塞罢 ： 。：， 毒( 謇疗) + v ，( 矿罢口) + 丢( 害砉口) = v ，( y 謇v ，口) + 矗一 。， 其中矿= ( 材，v ) 是水平速度矢量，p 是压强，p 代表模式的任意一个热力学 变量，口：l p 是位比容，f = 加，魄一抛钆是相对涡度，m 2 殍+ 艘是蒙哥 马利势，g z = 痧是重力势，是科氏参数，乏是垂向单位矢量， u 是涡动粘性系 h y c o m 模式对黑潮的气候态模拟 数或涡动扩散系数，；是风应力或底摩擦诱导的剪切压力矢量。壳。是透热源项 的和，包括由口作用引起的跨等密面混合。下标s 表示变量为局地变量，即在上 述三种不同的垂向坐标下有不同的表达式。( 五y ) 方向的距离和“，v 的时间导数 在水平面上计算。 在h y c o m 模式中，垂向首先按照预先设定的参考位密值分层。在模式运 行过程中，不断地检查格点是否位于它的参考位密，如果不在参考位密上，模 式将在下一步计算中进行调整。但当这个调整将导致分层过于拥挤时，模式会 将其固定在一个指定的几何深度上。并保证这个深度与它接近的等密度层平滑 的连接。 在混合层，当等密度分层有可能漏出海面时，它将被固定的水平坐标所代 替。h y c o m 模式的运行因此具有以下的特点：在浅海或层结不稳定的海域像 s i g m a 坐标的模式；在混合层或层结不稳定的海域像水平坐标模式；在开阔海域 像等密度坐标模式。它集合了各种坐标的优点，使其能够适应各种地形计算的 需要。 迈阿密大学( t h eu n i v e r s i t yo f m i a m im o d e l i n gg r o u p ) 和美国海军实验室( t h e n a v a lr e s e a r c hl a b ) 联合进行了h y c o m 模式的可行性实验研究( h a l l i w e l l ，等 1 9 9 8 ) 实验计算区域为北大西洋，采用气候态的海表强迫，使用k - t ( t h es l a b t y p e k r a u s t u r n e r ) 湍混合子模式。一系列的海盆尺度实验无论是在模式的稳定性， 还是对物理现象的模拟上都取得了很好的结果。图l 、2 为模式的两个断面图( 冬 季、夏季) ，用来说明混合坐标的设置，以及如何在温跃层处，从等密度坐标过 渡到水平坐标。图l 为模式冬季东大西洋一个5 0 0 m 的经向断面。粗线为温跃 层深度，可以看出在粗线下方为开阔海域，模式的分层与等密度线基本重合， 在粗线上方为水平分层，两者在红线附近平滑的连接。图2 为相同经度在夏季 的断面，在这个季节模式的季节温跃层上升到海面几米的深度。一些在冬季位 于温跃层内的水平分层，在夏季则位于温跃层下，选用了等密度分层的方式。 在夏季随着温跃层的上移，模式层的最小厚度设定也随之减小。这样的表层额 外水平分层设计，为使用k p p ( k - p r o f i l ep a r a m e t e r i z a t i o n ) ( l a r g ee ta 1 ，1 9 9 4 和1 9 9 7 ) 湍混合方案来代替k t 湍混合方案提供了有利的支持。k p p 有如下几 6 h y c o m 模式对黑潮的气候态模拟 个优点：它包括了改进的混合层参数化物理过程非局地效应；它能够计算 从表层到底层的整个水柱的剖面混合，提供了一个估计混合层下动力混合的方 法；它对垂向分辨率的要求相对较低，计算效率更高；最后，它可以为生物化 学要素提供垂向的动力和热力学参数。 类似的混合坐标系统植入m i c o m 模式的工作在迈阿密大学和l o sa l a m o s n m i o n a ll a b o r a t o r y 同时进行着。h y c o m 的垂向坐标自由调整功能将简化许多 物理过程的数值计算( 如，混合层的卷出、对流调整、海冰模式等) 。 图1h y c o m 模式第2 1 年1 月份2 5 0 w 断面的密度分布，细实线为层界面。粗线为 混合层深度。深度为5 0 0 m 。图底部数字为纬度值，北纬为正。 f 培1 h y c o mv e m c a ls e c t i o n 砒2 5 0 w i nj a n u a r y o f y e 缸2 1 s h a d e d f i e l d ：d e n s i t y t h i n s o l i dl i n e s ；l a y e ri n t e r f a c e s t h i c kl i n e ：m i x e d l a y e rd e p t h d e p t hr a n g e ：5 0 0m n u m b c ma l o n g b o t t o mi n d i c a l el a t i t i l d e 7 h y c o m 模式对黑潮的气候态模拟 图2 同图1 。八月份密度分布 f i g 2 a si nf i g 1 ，b u tf o rj u l yo f y e a r2 1 h y c o m 是原始方程全球海洋环流模式，垂向采用混合坐标( 等密度坐标、 s i g m a 坐标和2 坐标的混合) 。它是由b l e e k 和h a u i w e l lj r 等( h a l l i w e l le ta t ， 1 9 9 8 ，2 0 0 0 , b l e c ke ta 1 ，2 0 0 2 ) 基于m i c o m 发展而来。近年来，一些学者基 于h y c o m 模式进行了大量的研究。b l e c k ，2 0 0 2 从理论上证明了，通过将等 密度坐标与z 坐标和s i g m a 坐标相结合，能够使h y c o m 模式适用于浅海和非 层结稳定海域；并通过实验证明这种混合坐标模式是长时间稳定的( 实验积分 时间1 0 0 年) 。c h a s s i g n e t 等人( 2 0 0 3 ) 讨论了参考压强的选取和热压效应在模 式模拟中的重要性。t h a c k e r 等学者( 2 0 0 2 ，2 0 0 4 ) 使用最优插值方法，将x b t 数据同化到h y c o m 模式。通过x b t 的温度垂向结构和气候态盐度资料计算位 密，再通过位密确定h y c o m 数值模式的垂向分层。模式的初步结果表明，上 述方法对模式的模拟结果和偏差的纠正都有积极的影响。t h a c k e r 等进一步证 明，此方法也适用于其它数据的同化。h a l l i w e l l 等( 2 0 0 4 ) 将7 种垂向湍封闭 混合方案植入h y c o m 模式中，实验结果表明不同的方案在气候态的模拟中存 在较大的差异，其中非局地k p p ( k - p r o f i l ep a r a m e t e r i z a t i o n ) 参数化方案、n a s a g i s sl e v e l2 湍封闭方案和m e l l o r - y a m a d al e v e l2 5 湍封闭方案模拟的结果较 好。k a r a 等( 2 0 0 5 ，2 0 0 6 ) 使用基于h y c o m 模式的高分辨率黑海模式，成功 的模拟了黑海的上层结构。实验主要关注海气界面的动量和热量交换及浊度对 海表温度( s s t ) 、海表高度( s s h ) ，上混合层厚度( m l d ) 和上层环流等的 h y c o m 模式对黑潮的气候态模拟 影响。l e e 等( 2 0 0 5 ) 使用h y c o m 模式进行了一系列全球海洋环流实验，研 究西半球暖池( w e s t e mh e m i s p h e r ew a r mp o d ) 的热量收支预算。c h a s s i g n e t 等( 2 0 0 6 ，2 0 0 6 ) 首先将h y c o m 用于高分辨率的实时全球海洋气候预报，模 式水平分辨率为1 1 2 。，垂向分1 5 层，将x b t 、c t d 和a r g o