涡流对层流海洋环流模型及其应用

伯纳德•巴尼耶蒂埃里Penduff和西德Langlais

抽象的中尺度涡流是无处不在的,精力非常充沛的海洋环流特性。他们在高分辨率模型用于表示海洋预报,但是还没有在今天的层流,粗糙的分辨率海洋气候系统的组件模型。raybet雷竞技最新然而,高性能计算的发展在不久的将来,可能会改变这个未来十年应该看到旋转模型的使用越来越频繁的大背景下地球系统模型。这节课讨论中尺度涡流模型中不同的分辨率。课程组织如下。10.1节介绍的概念中尺度涡流的例子无处不在的从卫星观测海洋漩涡。然后,它提供了一个定义的海洋中尺度大气综观涡流涡流通过类比。的主要影响海洋中尺度环流的涡流回忆道。10.2节讨论一些海洋模型基础,把原始方程与分辨率、参数化和数字。解决和未解决的鳞片之间的分离结果讨论了网格分辨率的选择,提供了涡流和层流分辨率模型的定义,和subgridscale参数化的概念与中尺度漩涡的例子说明。10.3节说明了分辨率和数值之间存在的紧密联系。 Examples are shown where the use of advanced numerical schemes improves model solutions in a more drastic way than increases in resolution. Section 10.4 uses the DRAKKAR hierarchy of全球海洋环流模型(其决议不同2又1/12°)来说明分辨率的变化如何影响模型模拟的现实主义,意味着国家和可变性。结论总结了主要讨论类物品。

Laboratoire des重力滑动Geophysiques Industriels,中心国家de la任职,大学约瑟夫傅里叶法国格勒诺布尔,我电子邮件:(电子邮件保护)

a·席勒g . b . Brassington (eds),操作海洋学在21世纪,239年

DOI 10.1007 / 978 - 94 - 007 - 0332 - 2 - _10,©Springer科学+商业媒体帐面价值2011

10.1介绍

本课程涉及海洋环流数值模型的分辨率问题,和更具体地说这些模型表示的中尺度漩涡。因此,这两类模型是杰出的演讲。一类模型使用“粗糙的分辨率网格和解决方案生产的特点是“层流”动力政权中尺度涡流不能出现。其他类的模型使用高分辨率网格,和解决方案生产的特点是“涡流”政权,中尺度漩涡可以出现和发展。本文使用单词“层”和“涡流”资格产生的流动的动力机制模型,而这句话“粗”和“高”用于标签数值网格的分辨率。

海洋中大家无处不在的漩涡

无处不在的漩涡在海洋里已经被大量的研究证明了利用卫星(如测高法,看到Chelton et al . 2007年)和现场仪器。这是图10.1所示,展示了海平面异常(SLA)观察到19/05/2004卫星测高。海洋似乎充满了几百公里范围内的特性。这些观察到的特性通常生活从几天到几个月,一些功能持续两年多的时间(Chelton et al . 2007年)。

在大气和地形影响也扮演了一定的角色,这些漩涡被认为是主要由大电流的不稳定;这就解释了为什么更强烈的中尺度特征集中在边界附近的水流和他们的海外扩展(例如墨西哥湾流,黑潮)和南极绕极流。这些特性也无处不在的中心副热带环流在中纬度海洋盆地的东部(也容易动力不稳定)。中尺度生成漩涡也沿着赤道(这些明显更大,往往更多的各向异性),在海洋的内部(附近地形障碍,或者通过剪切不稳定,等)。简而言之,现代观测揭示了“海洋中尺度的漩涡”的一般特征与大规模的循环模式,并由小(所谓的sub-mesoscale)动态增强各向异性结构。

10.1.2海洋中尺度漩涡:一个定义

海洋的海洋中尺度变化出现在各种瞬态涡流等特性,蜿蜒、戒指、海浪和空间尺度方面的几个10 100公里,时间尺度10 - 100天。海洋漩涡自发产生的水动力不稳定性主要大型当前系统一样

3卫星ahimetry(通报!

240 * 120 W 'w OT

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240 * 120 W 'w OT

24问°W 120 * W O说

■0 5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5米

图10.1 19/05/2004海平面异常(单位:米),(a)所观察到的卫星测高(通报产品),和(b)所模拟的1/4°eddy-permitting全局模型(ORCA025 Drakkar模型,运行系列G70)和(c) 2°粗分辨率全局模型(ORCA2 Drakkar模型,运行系列G70)。两种模式使用相同的数字代码(NEMO)和相同的大气强迫(DFS3,看到文本)

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图10.1 19/05/2004海平面异常(单位:米),(a)所观察到的卫星测高(通报产品),和(b)所模拟的1/4°eddy-permitting全局模型(ORCA025 Drakkar模型,运行系列G70)和(c) 2°粗分辨率全局模型(ORCA2 Drakkar模型,运行系列G70)。两种模式使用相同的数字代码(NEMO)和相同的大气强迫(DFS3,看到文本)

大气不稳定的天气特征风系统。海洋中尺度涡流常常被描述为是“天气系统”的全球海洋,通过一个动态的类比大气的天气特征(威廉姆斯2008)。

让我们考虑一个意味着海洋或大气流动在一个垂直地分层流体。N垂直分层的特点是Brunt-Vaisala频率:

H阿宝

H的垂直切变的特点规模平均流量(如海洋的厚度主要温跃层或者是大气对流层高度),p0参考密度,美联社散装密度梯度/ H和g的重力加速度。

让我们把你定义为涡流特征速度,L的涡流水平扩展特点,和f科里奥利参数。动态,海洋中尺度大气天气)涡流可以被定义为特征:

•在quasi-geostrophic平衡(即一个小罗斯比数):

•相比有一个特征速度小的敏捷(内部的)重力波(即小弗劳德数):

U你美联社

Fr = ^ Fj = NH«1 g的=差距(10.3)

VgH NH阿宝

•生成不稳定的大规模流动,这样,也同样受到分层和旋转(即订单一个汉堡号码):

* = f = (f) 2 = 0 < < l04)

特点涡流水平比例尺从方程可以方便地估计b = 1:

典型大气值N = 10 - 2 s - 1和H = 104收益率中纬度地区(即4 f =打败s - 1)天气艾迪长度尺度Latm = 1000公里。典型的海洋球季N = 5 x的值s - 1和H = 103产生中尺度涡的长度尺度爱= 50公里。典型的艾迪长度尺度是因此海洋中较小的20倍。

这些涡流的动力影响全球环流可能非常不同,至少定量,在两个流体,以及海洋和大气之间的类比涡流可能不持有超过这个规模分析。例如,很明显,大气漩涡,因为他们的更大的规模、更有效地传输热量从亚热带到亚寒带的纬度。事实上,大气综观涡流几乎是负责整个向极热传输从30到60°纬度和必要性来解决这些特性在大气环流模型从来没有质疑。

海洋漩涡的较小规模表明弱有效性在运输(盐)向极热,尤其是一个大的一部分经向热传输完成(至少在北半球海洋的一部分),意味着向极电流沿着大陆(大陆允许维护强,局部区域压力梯度与向南极的海洋geostrophically平衡边界电流)。尽管艾迪运输是公认的重要性,解决涡流的必要性在海洋环流模式(OGCMs)仍在辩论,和模型用于气候预测仍然是层流,即使用粗糙的分辨率网格,依赖于参数化占中尺度漩涡在更大尺度上的影响。raybet雷竞技最新

10.1.3中尺度漩涡的重要性

海洋漩涡中无处不在的特性,包含一个伟大的海洋的动能的一部分。类似于大气天气系统,他们的运输能量的动态平衡是至关重要的在全球范围内流通。他们很重要,因为大规模的反馈循环,海洋有重大贡献的总热通量。艾迪过程也有重要影响的生成和维护强劲的水流和方面和水质量的物理和生物地球化学性质,因为它们的主要演员海气交换、等密度的分散和混合密度re-stratification,通风和俯冲,能源梯级和耗散,地形形成压力,等等(McWil-liams 2008)。涡流也内在气候变化的来源。raybet雷竞技最新他们有伟大的对海洋生态系统的影响,海洋非常重要的作战应用,如海上安全、污染扩散,近海工业、渔业等。

10.2海洋模型10.2.1解决的解决一些问题,未解决的尺度的运动

海洋模型基本面最近彻底重新审视在一系列的论文(Griffies 2004;Griffies et al . 2005;Treguier 2006;Griffies和Adcroft 2008)。本课程着重于解决问题,读者应该参考上述论文更多的元素的方程和数值算法用于海洋环流数值模型。海洋环流模式通常解决所谓的原始方程(Madec 2008;例如),这是一个近似navier - stokes方程,和一个非线性状态方程夫妻两个活动示踪剂(温度和盐度年代)和密度p。

最重要的假设,根据规模考虑,(我)是薄壳(或浅水)近似(海洋深度远小于地球的半径),(2)布西涅斯克近似(密度变化是被忽视的贡献的浮力除外),(3)水压假说(垂直动量方程简化成浮力和之间的平衡垂直压力梯度)和(iv)不可压缩性假说(三维速度矢量非发散)。

对于这门课程的目的,原始方程(PEs)写成(2006年Treguier):

dt u = (u, v, w)的三维速度矢量,Y = (u, T, S)的预后连续状态向量是海洋,和F (Y)包括所有的PEs的其他方面,包括科里奥利力,压力梯度力、外部强迫等。因为这门课侧重于中尺度漩涡,应当考虑F (Y)项的参数化(10.6)还包括diapycnal混合引起的小范围内三维湍流(见(大et al . 1994;大1998)小规模的审查湍流闭合模型)。一个更原始方程的标准形式在附录中给出。

方程(10.6)是数值求解,这意味着PEs discretised使用有限差分网格方案(或其他数值方法)。解决PEs数值方法应用“discretisation”操作符()R状态向量Y及其演化方程(10.6),收益率:

^ + (u v) + (F (Y)) r = 0 (1°7)

年= (Y) R模型解决方案(即一个离散表示状态的海洋)。Treguier后(2006),(10.7)可以写成:

^ +你的■VYr + Fr(年)= - ((u■v) r - ur■VYr) - ((F (Y)) r - Fr(年))

演化方程的影响未解决的鳞片在海洋的解决状态解决海洋

数值模型集成(10.8),提供连续的值年,离散状态的海洋,在空间尺度上大于网格步和dis克里特岛。注意,离散状态的演化方程(10.8)有相同的左手边为连续相对应(10.6),但与额外的贡献在右边(RHS)代表悬而未决的影响尺度解析模型的解决方案。解决和未解决的尺度的定义包括平均算子(Griffies 2004)。的皇家(10.8)通常是未知的。解决方案中使用的模型来计算这个术语通常在于实证关系或一个基于物理模型(即参数化或subgridscale模型)。这样的模型表达的贡献尚未解决的流程在解决状态后一种方法类似于“湍流闭合假说”,收益率高阶的时刻作为低阶的函数时刻(Lesieur 2008)。

10.2.2涡流与层流海洋模型

选择网格分辨率的海洋环流模式(OGCM)是正式相当于一个适当的选择平均算子(低通滤波网格步)和一个合适的方法来估计的贡献较小尺度(即RHS (10.8))。如果操作员()R雷诺兹算子的性质,即如果没有解决(或subgridscale)海洋状态向量Y的一部分,定义为Y = Y-YR验证(Y) R = 0(如果流验证属性的平稳性和遍历性,看到(Lesieur 2008详情),然后悬而未决的部分,对应于非线性平流的影响(即第一项的RSH(10.8)),可以表达的形式涡通量散度:

■(u V) r - uR■VYr) r = V■(u没有”)(10.9)

在这门课中我们不讨论治疗的皇家的第二项(10.8),其中包括强迫的悬而未决但重要的影响。在下面,我们假定它是包括在术语FR(年)。情商的discre-tised模型。(10.8)变为:

BYr dt

+你的■VYr + Fr(年)= - v (u没有”)r (I0.I0)

(10.10)的皇家园艺(即“雷诺应力”如果Y是动力,和湍流热通量如果Y是潜在的温度)是艾迪parameterisa-tion的问题。

在选择模型的分辨率时,一个回答这个问题的“涡流效应”应明确模拟解决科学问题。例如,一个期望不同的答案洋流和预测方面在短期内(在这种情况下,涡流应明确解决,要求好,需要大量的计算网格),或模拟数十年变化的海洋经向热传输,(在这种情况下,涡流效应可能parameterised粗糙,网格计算效率)。

纬度

图10.2水平网格分辨率的变化与纬度(公里)Drakkar全球模型的层次结构(决议从2 1/4°)。冲绿线显示第一个变形半径的变化(~艾迪长度尺度)。完整的(虚线)黑色线条显示计算网格的大小经向(纬向)的方向发展。粗分辨率模型(2,1又1/2°)的经向网状细只比赤道带艾迪规模(本地子午细化2和1°网格)。1/4°(涡流)模型网格网格细比第一个半径40°N和40°之间的变形。所有纬度上的一个“艾迪解决”模式的目标应该是在一项决议10公里的赤道或更好。这几乎是通过1/12°Drakkar模型配置下开发(改编自Penduff et al . 2010年)

纬度

图10.2水平网格分辨率的变化与纬度(公里)Drakkar全球模型的层次结构(决议从2 1/4°)。冲绿线显示第一个变形半径的变化(~艾迪长度尺度)。完整的(虚线)黑色线条显示计算网格的大小经向(纬向)的方向发展。粗分辨率模型(2,1又1/2°)的经向网状细只比赤道带艾迪规模(本地子午细化2和1°网格)。1/4°(涡流)模型网格网格细比第一个半径40°N和40°之间的变形。所有纬度上的一个“艾迪解决”模式的目标应该是在一项决议10公里的赤道或更好。这几乎是通过1/12°Drakkar模型配置下开发(改编自Penduff et al . 2010年)

一个模型将“涡流”如果它使用

•水平网格的分辨率很好足以让中尺度动力学出现,即斜压和正压不稳定过程是明确(尽管部分)解决;

•一个适当的表示尚未解决的(小)尺度的影响(中尺度)特性来解决。

在实践中,这意味着有一个网格细比艾迪长度范围(见图10.2,通常10公里的顺序网格或细的艾迪规模50公里(10.5))。未解决的鳞片在中尺度动力学的影响通常是由一个parameterised hyper-viscosity(如重调的),一种方法确保数值稳定但这不是完全满意的身体。研究正在进行开发更加一致的替代(例如弗里希et al . 2008年)。一个模型将“层流”如果它使用

•粗水平网格的分辨率不让中尺度特征出现;

•一个适当的表示的中尺度特征的影响在解决(如盆地规模)特性。

在实践中,这意味着有一个网格比艾迪长度尺度宽松(见图10.2,通常一个网格的50 - 100公里的艾迪规模(5)50公里)。在粗分辨率造型,大规模的中尺度尺度动力学的影响依赖于参数化,应该占了平流扩散和中尺度涡流的影响。

注意,相同的Eq。(10.10)在集成时间“涡流”和“层”模型,但未解决的功能有不同的空间尺度上在每种情况下:它们对解决尺度的影响必须由不同的参数化模型中的两个类(打开两个独立的模型发展)的方法。下一节提供了一个参数化的中尺度漩涡广泛应用于层流模型。

10.2.3中尺度漩涡在层流模型的参数化

中尺度涡流的影响的代表性的大型海洋环流是海洋的关键问题模型用于模拟气候系统。raybet雷竞技最新在介绍中提到的,这些影响有很多。然而,并没有占所有参数化,参数化的中尺度涡流是基础研究的一个活跃的领域(Eden和Greatbatch 2008;赵和谷地2008)。

中尺度漩涡的能力将示踪剂在等容度的表面,在所有艾迪属性,有最大的影响在密度和示踪剂分布在大尺度上,它必须parameterised粗分辨率海洋气候模型。raybet雷竞技最新在本课程中,我们讨论了经典的方法来模拟这种效果。写作(10.10)潜在的温度T收益率:

dtR +你的■录像机= - v■(uT) R + Dt +英尺

符合课程中使用的符号,TR和你= (uR,虚拟现实,wR)温度和潜力当前的速度向量计算的模型在一个粗糙的离散网格,所以(u ' R)代表了未解决的中尺度涡通量的热量,其散度必须估计方程。DT和英国《金融时报》表示diapycnal通量和迫使(FR(年)(10.10)期限)。

中尺度涡通量Parameterising意味着制定他们的影响模式解决方案TR与一个基于物理的理论模型。这样的模型通常由连接涡通量的关系(u) R的渐变尺度录像机得到解决。这种关系可以被正式写在一个张量形式如下:

z是混合张量,x, y, z表示主要混合方向(这里为简单起见坐标系的轴)。穆勒(2006)后,

混合张量分为对称部分,K . .,一个反对称部分年代……

V V

这样写道(10.12):

仍然在穆勒(2006),对称张量的贡献K . .通量散度可以表示的拉普拉斯算子的形式(如K7ATr),热扩散和反对称(或扭曲)张量s可以表示为一个简单的平流的热量由一个倾斜(或丸)速度向量V * (- V *录像机)。艾迪通量散度(10.12)可能因此被写成:

- V (uT) R = KtATr - V *•录像机(10.14)

参数化的挑战的中尺度涡通量的决心就会减少KT(湍流扩散系数)和V *丸速度。

在海洋模型在实践中,拉普拉斯算子扩散的热量(第一项(10.14)的RHS)行为只有在等密度的表面(雷迪1982)占内政等密度的混合由中尺度漩涡。贡献diapyc-nal方向被忽视的垂直混合引起的小范围内三维湍流。扩散系数的值KT是一般用户依赖于应用程序的,并可能受到数值稳定的考虑。一个表达式的皇家的第二个任期(10.14)由GM90提供参数化(绅士和威廉姆斯1990)模仿的影响(未解决)涡流热平流的解决(大规模)浮力。这个参数化使用当地的等容度的斜坡上定义一个3 d,非发散丸速度V * = (u, V * w *)在以下形式:

公关是解决了密度场的地方。V *的影响从大规模释放势能流的方式是身体符合中尺度涡流产生的斜压不稳定平整等容度,即从平均流中提取势能。换言之,涡流诱导downgradient扩散的等密度的层的厚度等密度的表面,扩散系数K *。

总之,温度方程,解决了GM90艾迪param-eterisation具有以下形式(同一控股盐度):

美联社表示二维拉普拉斯算符作用以及当地的等密度的表面定义为(雷迪1982)。现在的所有条款(10.16)表示为一个函数的变量TR和你解决,涡流效应由拉普拉斯算子的扩散项,占丸速度。无论是后者已经下派生的物理假设涡流混合属性等密度的表面,并使用混合的数学形式表示张量。涡通量参数化的解决了密度场然后降低温度和厚度的测定扩散系数,KT和K *。这些系数的评价仍然是部分经验。GM90参数化已经证明显著改善大规模密度场和循环粗分辨率模拟,是应用最广泛的参数化的中尺度涡流在海洋气候模型。raybet雷竞技最新

10.3先进的数值方案和决议

虽然GM90参数化及其变体的演进是一个公认的改善粗分辨率模型,许多涡流效应尚未占这些模型。此外,越来越多的海洋模型应用程序需要一个明确的解决中尺度漩涡,特别是在海洋预报。因此,旋转模型的使用正在迅速增长。但增加分辨率不是简单增加网格。更好的空间和时间尺度分辨率增加时出现在模型解决方案,的subgridscale参数化需要进化(因为他们要占不同的未解决的物理过程的影响,例如submesoscale影响涡流模型)。数值算法用于解决方程可能也需要适应新产生的物理过程,虽然不改变配方的问题。后一个方面联系了分辨率和数值与动量平流方案的一部分。PEs的动量方程,用一个标准形式符号(见附件),是:

+ (u - v) u -杜阵线= - - - - - - + +富(1°.17a)

dt阿宝dx

经向动量dv 1 dP sir. n。

- + (u - v) v + f u = - - - - - - + Dv +阵线(10.17 b)

dt阿宝dy

(uv) u和v (uv)条款(10.17)中的非线性项代表了平流的动量流。有各种各样的数值方案来计算这些术语在有限的差异,这里说明他们对解决方案的影响的数值模型。

我们比较三种不同的二阶平流方案的影响在艾迪的解决方案允许(1/4°)模型,该模型使用尼莫OGCM

(Madec 2008)。计划(详细介绍(Le大梁et al . 2009年))有不同的数学公式描述不久以后:

•EFX方案:书面形式的通量的散度,这个方案是能源节约。

•存在计划:书面形式的梯度的动能和vortic-ity术语,这个方案是涡度拟能保护。

•即使方案:也写在一个梯度的动能的形式和涡度术语,它使用一个模板比ENS.这个方案是能源和en-strophy保护。

敏感性实验,这些平流方案执行与Drakkar模型配置(基于NEMO OGCM (Madec 2008),看到教派。10.4)。粗糙的分辨率(层流)配置(2°或1°)显示弱敏感性的选择方案,如预期的小贡献在大尺度上(uv) w条款(非常小的罗斯比数)。然而,艾迪允许配置(1/4°)被证明是非常敏感的这个选择,见图10.3。模拟循环是显著的修改在地区强劲的洋流模式和振幅。墨西哥湾流例如明显向南转移,甚至计划相比存在计划(图10.3)。

证明了(Le大梁et al . 2009年),相对于其他两个方案,甚至计划被发现减少噪音在垂直速度场底部附近的细胞。增强了平均电流的连续性和增强地形改正也被诊断出患有甚至计划的影响。这可能有助于改善西部边界电流和惯性的显著减少涡流在哈特拉斯角(参见巴尼耶et al . 2006;Penduff et al . 2007年)。

动量平流方案还发现影响的轨迹Agulhas环在本格拉盆地(巴尼耶et al . 2006年)。这些轨迹往往不合逻辑地直接、确定性和不变的在几个旋转模型,包括流行模型(1/10°)和1/4°Drakkar模型ENS.使用甚至计划在1/4°Drakkar模型大大降低这个普遍存在不一致,产生更多的现实(即更多的混乱和不规则)环脱落事件和轨迹在南大西洋,如艾迪动能的模式所示(图10.4)。其他的例子(巴尼耶et al . 2006;Penduff et al . 2007年)确认使用先进的数值方案(如使用部分步骤表示地形的z坐标模型)可以提高模型的解决方案以更激烈的方式比增加分辨率。

10.4决议对模型的影响的解决方案

在本课程的一部分,我们使用Drakkar全球海洋环流模型的层次结构,跨度决议从2到1/12°说明分辨率的变化如何影响模型模拟的现实主义。

正压差交通甚至和实体之间的关系

1 207 413 619 824 1030 1236 1442

■70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 Sv

图10.3不同意味着两个模拟与0之间正压streamfunction rca025 (1/4°) Drakkar模型。模拟使用甚至动量平流方案和它的孪生兄弟是使用实体动量平流方案(甚至-实体的区别如图所示)。巨大差异(即大于±10 Sv)只是发现地区的强非线性电流

10.4.1 DRAKKAR配置的层次结构模型

Drakkar合作,收集一些海洋研究和操作的资源和专业知识组织在欧洲的目标发展,分享和改善全球海洋/海冰模式配置的层次结构,可以用于研究和操作应用(Drakkar集团2007)。Drakkar使用尼莫造型系统(Madec 2008) 1和AGRIF网格加密软-

1 NEMO包括海洋模型,海冰模式,和一个模块模拟地球化学演化的被动追踪器(即14 c、CFC11 SF6)。

图10.4意味着表面涡流动能(补充在cm2年代2)在南非,(a)所观察到的卫星测高(Ducet et al . 2000年),和(b)所模拟的全球0 rca025 Drakkar模型甚至计划,(c)全球P0P1/10°全局模型,和(d)全球0 rca025 Drakkar与实体模型方案。所有模型结果显示速度方差计算3年以上

图10.4意味着表面涡流动能(补充在cm2年代2)在南非,(a)所观察到的卫星测高(Ducet et al . 2000年),和(b)所模拟的全球0 rca025 Drakkar模型甚至计划,(c)全球P0P1/10°全局模型,和(d)全球0 rca025 Drakkar与实体模型方案。所有模型结果显示速度方差计算3年以上

图10.5三极的网格DRAKKAR 0 rca025配置(1/4°决议在赤道)1点每12点绘制(总共1442 x 1021网格点)。这个涡流允许配置MERCATOR-Ocean的作战使用的预测

图10.5三极的网格DRAKKAR 0 rca025配置(1/4°决议在赤道)1点每12点绘制(总共1442 x 1021网格点)。这个涡流允许配置MERCATOR-Ocean的作战使用的预测

制品(德布鲁et al . 2008年)2。Drakkar也促成了尼莫的不断发展。

Drakkar已经实现全球和区域层次NEMO配置使用三极的虎鲸网格(Madec和Imbard 1996)(图10.5)。全球模拟执行了2 1 1/2、1/4、1/12°水平分辨率。每一个配置使用域分解(~ 1000个处理器)大规模并行计算机上运行。模型层次结构的主要特征归纳如表10.1。详细描述的1/4°ORCA025配置和模型的层次结构可以发现在(巴尼耶et al . 2006年)和(Penduff et al . 2010)。

大部分公式中使用的强制函数提出的那些(大型和耶格尔2004)。大气强迫Drakkar模拟中使用的字段来自核心数据集(大型和耶格尔2008),和从Drakkar迫使集DFS3或DFS4 (Brodeau et al . 2010年)。DFS强迫使用ERA40 6小时表面大气变量来计算湍流通量(风应力,潜在和显热通量、蒸发),每日卫星辐射通量(下行短波和长波),每月从卫星降水估计。中描述的各种修正应用于这些数据(Brodeau et al . 2010年)。注意,最近的进展介绍了太阳辐射的昼夜循环的贡献depth-dependant海洋生物学吸收光的。大多数Drakkar模拟覆盖1958 - 2004年期间(2007年Drakkar组)。

2看到(Biastoch et al . 2008年)为例对应用程序的AGRIF Agulhas翻转区域,(Chanut et al . 2008年)为应用程序在拉布拉多海,或(Jouanno et al . 2008年)在加勒比海域。

表10.1主要设置海洋Drakkar全球的层次结构模型的组件配置。LIM2海冰的设置模型(Fichefet et al . 1997年)不是这里描述

46 - 75垂直的水平	地形	平流方案
表面:6米到1米底:250米至200米不等	部分步骤	动力:即使示踪剂:FCT
卧式搅拌2°- l°模型	1/2的1/4°	模型的特殊性

水平拉placian K = 4 xlojto lxloVV

等密度线圈lac我Kt次方= 1000 mV艾迪GM90

参数化k - 2000 - 1000 mV的

动力

T, S,示踪剂水平bilaplacian

Kv = 12 x10“网格依赖性

1.5 x10“mV等密度线圈lac¡

电网的依赖

没有一个

垂直混合	T, S,示踪剂	动力	特殊性
背景	Kf =值列表/ s	J K = 10 m Vs	(l ()“fl在海冰)
动荡的关闭	TKE方案	TKE方案	参数化的浪潮打破和朗缪尔cclls
对流	K。= 10 mV	K = 10 mV	增强垂直扩散

边界条件	侧墙	底	表面
参数化	free-slip	Quadartic拖法(C„= I05)	通量的形式——大部分公式
特殊性	没有滑2 l	内部潮汐混合扩散以及advcctivc桶	——核心迫使 - - - - - - DFS迫使集 ——表面盐度放松

本课程中使用的大多数模拟来自G70系列、2、1,1/2和1/4°Drakkar模型驱动的DFS3迫使50年期间1958 - 2007。

这些模拟比较2观测参考:原位EN-ACT-ENSEMBLES水文数据库(EN3-v2a, Ingleby。哈迪2007),和通报高程(SLA)数据库。为此,搭配算法基于quadrilinear插值方案在时间和空间上次级样本模型输出相同的方式观察;然后使用专用指标比较观测和模拟配置数据库(见图10.6)。

sdiinhy偏见

图10.6垂直结构的模型温度(上)和盐度(底部)偏见(相对于2000 - 2004年期间)0 rca025 Drakkar仿真驱动DFS3迫使(运行系列G70)。参考是EN3-v2a水文数据集。在色彩的pdf文件(在对数尺度)温度和盐度的偏见(轴)深度的函数(轴)。中位数(绿线)和模式(白线)与深度有关的pdf文档都是叠加(m . Juza et al . 2011年,个人通信)

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图10.6垂直结构的模型温度(上)和盐度(底部)偏见(相对于2000 - 2004年期间)0 rca025 Drakkar仿真驱动DFS3迫使(运行系列G70)。参考是EN3-v2a水文数据集。在色彩的pdf文件(在对数尺度)温度和盐度的偏见(轴)深度的函数(轴)。中位数(绿线)和模式(白线)与深度有关的pdf文档都是叠加(m . Juza et al . 2011年,个人通信)

10.4.2分辨率增加的一些影响

Drakkar层次结构模型被证明是非常有用的评估网格分辨率的影响的代表性climate-relevant海洋环流特征。raybet雷竞技最新图10.1显示了高度计观测的全球海平面异常(SLA) 2004年5月平均一个多星期,有强烈的中尺度漩涡签名。这些中尺度特征显然没有在2°c(图10.1),但是清晰可见,表现出现实的模式在1/4°(图10.1 b):从这个中尺度的角度来看,层流和涡流的海洋模型不模拟海洋“相同”。更有趣和相关比较这两类模型和关注都被相对大规模的特性,如盆地规模综合气候指标,spatially-smoothed意味着水平循环,和interan-nual可变性(LSIV)模式。raybet雷竞技最新

图10.7意味着在大西洋经向翻转streamfunction获得4 Drakkar模拟增加决议(2,1,1/2和1/4°),相同的驱动DFS3迫使(运行系列G70)。等高线间距是2 Sv (Lecointre 2009)

图10.7意味着在大西洋经向翻转streamfunction获得4 Drakkar模拟增加决议(2,1,1/2和1/4°),相同的驱动DFS3迫使(运行系列G70)。等高线间距是2 Sv (Lecointre 2009)

纬向平均经向翻转环流(MOC)和经向热传输(MHT)表现出某些分辨率变化的敏感性。在大西洋经向结构的商务部几乎改变了从2到1/4°(图10.7),商务部的平均振幅和MHT增加约25%(表10.2)。

然而,商务部的低频变化(图10.8)是所有模拟中非常相似:尽管其他气候指数可能显著不同,这一结果表明,涡流模型可能不产生重大变化的缓慢进化的模拟商务部和MHT。

表10.2大西洋商务部和MHT估计26°N Drakkar各种模型的层次结构,由同一DFS3强迫

大西洋商务部大西洋MHT决议

图10.8月大西洋意味着变化的商务部(Sv)在26°N在1958年和2004年之间4 Drakkar模拟增加分辨率(2,1,1/2和1/4°)。所有模拟都是由相同的DFS3迫使(运行系列G70)。大西洋经向翻转环流的价值是价值1000的推翻streamfunction图10.7所示。MERA曲线来自一个区域模型北大西洋的1/3°决议(Lecointre 2009)

图10.8月大西洋意味着变化的商务部(Sv)在26°N在1958年和2004年之间4 Drakkar模拟增加分辨率(2,1,1/2和1/4°)。所有模拟都是由相同的DFS3迫使(运行系列G70)。大西洋经向翻转环流的价值是价值1000的推翻streamfunction图10.7所示。MERA曲线来自北大西洋的区域模型1/3°决议(Lecointre 2009)

图10.9比较上,地产顾问(正压)streamfunction 2°模型和1/12°模拟模型。°1/12模型的解决方案已经平滑和绘制到2°网格。两种模型大致同意大尺度环流的位置和平均电流,但许多差异可以看到在水平循环,如结构和程度的近极的北大西洋环流,融合西方南大西洋或额南极绕极流的结构。显然,分辨率显著提高模拟西方的现实主义边界电流,永久的位置方面,当前的速度和幅度传输。因为很多这些改进出现在地区的大气风暴之发展形成,人们可能认为重大的(和潜在的有益)变化之间的海洋/大气耦合模拟使用粗和涡流的海洋模型。

Penduff et al。(2010)低通滤波观测和Drakkar模拟荷载SLA领域超过1993 - 2004比较能力的大型模型

5 93 180 268 355

Drakkar 2°模型

5 93 180 268 355

Drakkar 2°模型

5 93 160 268 355

b Drakkar 1/12°模型

图10.9的意思是正压输送streamfunction模拟(一)2°0 rca2分辨率模型,和(b) 1/12 0°分辨率模型rca12(等高线间距20 Sv)。这种比较1/12°解决方案与汉宁的100年通过平滑滤波器和绘制2°网格

5 93 160 268 355

b Drakkar 1/12°模型

图10.9的意思是正压输送streamfunction模拟(一)2°0 rca2分辨率模型,和(b) 1/12 0°分辨率模型rca12(等高线间距20 Sv)。这种比较1/12°解决方案与汉宁的100年通过平滑滤波器和绘制2°网格规模(LSIV)年际变化,即尺度大于6°和times-cales超过1.5年。连续增加模型分辨率从2到1/4°被证明产生系统性的改进LSIV特性,特别是强大的年际变化,地理模式和系统的改进。再一次,这表明,中尺度特征的(部分)决议收益率更准确比中尺度涡通量参数化,不仅对于平均状态,还其低频的变化。虽然basin-integrated数量适度敏感分辨率变化在此设置中,其空间和时间模式(因此他们的基本动力来源)时强烈的改善网格的大小减少。

10.5结论

在本课程中,我们已经使用卫星观测说明海洋的无处不在的数值变化,在每一个盆地和纬度。我们提供了一个动态定义的海洋中尺度基于定标参数链接的中尺度环流和提供了一个规模的运动特征。我们列出了中尺度过程可能对海洋环流和气候有重要影响。raybet雷竞技最新在造型方面,两种方法处理艾迪的问题。一是解决涡流(部分完全)与细网格计算昂贵,另一个是parameterise涡流粗但计算有效的网格。这个长大的概念解决/未解决的尺度,尺度的海洋模型提供了一个解决方案的解决,取决于表示未解决的鳞片。

我们解释说,规模悬而未决的表示需要一个“关闭假说”基于物理地面在层流和涡流模型有很大的不同。这两种类型的模型解相同的方程:类似的数值方案可以用于两个。然而,示例说明不同敏感性的模型解决数值方案根据决议:正如所料,高分辨率模型显示更大的灵敏度数值计划用于解决非线性条件(如动量平流方案)。因此,模型开发方式应该强烈将分辨率提高与改进的次网格尺度的数值方案和参数化。

尽管他们解出相同的方程,涡流和层流模型不能模拟海洋“相同”,原因有物理和数值。展示了一个例子,粗分辨率的解决方案并不等于spatially-smoothed高分辨率的解决方案(即参数化还没有完全代表未解决的尺度)。增加决议让中尺度湍流发展因此提高解决物理和现实主义的一致性模型的解决方案,特别是强大的电流的路径,与地形的关系,当前速度、振幅和年际变化的主要特征。然而,一些climate-rraybet雷竞技最新elevant集成数量,如大西洋经向翻转环流和MHT似乎相对不太敏感的决议(如大西洋经向翻转环流意味着模式及其年际变化)。然而,由于海气相互作用是局部的、这些结果表明,涡流的海洋模型应该为提高未来气候预测系统的物理一致性。raybet雷竞技最新

最后这门课,应该强调(中尺度)eddy-resolution造型仍处于起步阶段。今天的“eddy-resolving”全球模型分辨率达到1/12°赤道,但很少使用常规今天(最粗网格,即约1/4-1/10°)。更普遍的是,涡流的敏感性迫使全球模型,参数或数值方案在很大程度上仍是个未知数,和各种研究小组仍在parameteri-sation悬而未决(sub-mesoscale)特性。实际上,涡流的计算成本和存储需求的全球模型大(甚至对于现在的超级计算机):未来10年面临的挑战可能会执行tran sition从0(1/4-1/10°)为0(1/12-1/16°)常规climate-oriented大规模模拟。raybet雷竞技最新由于电脑的限制,气候模型用于10000年的古气候追使用(层流)海洋raybet雷竞技最新组件粗分辨率比用于100年IPCC-like预测。反过来,这些海洋耦合模型的分辨率不能那样好目前开发的Drakkar-like ocean-only涡流的设置,目前正在使用和操作模型分辨率更高,(例如1/32°或更多)地区域。粗糙的分辨率模型,一方面,不断受益pa-rameterisations由高分辨率模型。0 n另一方面,这些模型是有效的工具,以改善某些涡流的海洋模型组件(如大气强迫),海洋和海洋/大气耦合模型提供旋转模型与海气相互作用的重要反馈。总之,“层”、“eddy-permitting”,和“eddy-resolving”海洋模型需要协调发展工作以来海洋模型需要一个大范围的工具取决于应用程序。

确认我们承认连续支持提供给ME0M海洋模型组在格勒诺布尔通过科学研究所和研究中心,在超级计算机提供的和非常重要的支持GENCI(伊德里斯和电影)。支持这个课程已经由GMMC提供。伯纳德•巴尼耶非常感激西德Langlais准备和教GM90参数化的实际工作相关的这门课,和蒂姆·普设置计算机设备实际工作很有效率。我们要感谢Jean Marc风车式的梅兰妮Juza和Albanne Lecointre为课程提供了重要资料,和安妮玛丽Treguier和Gurvan Madec, Drakkar协调我们的合作伙伴。

附录

配方的原始方程通常笛卡儿坐标系统(x, y, z)过程中使用。

定义

T潜在温度

S盐度p密度u = (u, v, w)速度矢量

P f科里奥利参数g重力加速度的压力

Dts u v扩散/耗散项

英国《金融时报》,年代,u, v强制条款

(x, y, z)坐标系统(向东、向北向上)

方程

纬向的动力

经向动量

盐度d u 1 dP温度

+ (u■V) u -杜阵线= - - - - - - + +傅dt阿宝牛dv 1 dP

傅+ (u■V) V + = - - - - - - + Dv +阵线dt阿宝dy dt

静压近似_ =

非速度矢量的散度u = (u, v, w)

引用

巴尼耶B, Madec G, Penduff T,风车式的J-M, Treguier, Le大梁J,贝克曼,Bias-toch,去骨C, Dengg J, Derval C,杜兰E, Gulev年代,雷米E, Talandier C, Theetten年代,Maltrud M, McClean J·德·奎瓦斯B(2006)的影响部分步骤和动量advec-tion计划在艾迪的全球海洋环流模式允许决议。海洋Dyn. doi: 10.1007 / s10236 - 006 - 0082 - 1 Biastoch,去骨连续波,Lutjerharms JRE (2008) Agulhas泄漏大西洋翻转环流动力学影响的年代际变化。大自然。doi: 10.1038 / nature07426 Brodeau L,巴尼耶B, Penduff T, Treguier, Gulev年代(2010)基于ERA40大气迫使全球海洋环流模式。海洋模型31:88 - 104 Chanut J,巴尼耶B,大型W,德布鲁L, Penduff T,风车式的JM, Mathiot P(2008)中尺度对流拉布拉多海的涡流及其贡献和restratification。J phy Oceanogr 38:1617 - 1643 Chelton DB,施莱科斯毫克,Samelson RM,德Szoeke R(2007)全球观察的大型海洋漩涡。“Res。doi: 10.1029/2007 GL030812德布鲁L, Vouland C, Blayo E (2008) AGRIF:自适应网格加密在Fortran,第一版Geosci 34(1): 8日至13日

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继续阅读:等密度的海洋和混合建模GODAE的上下文中

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