等密度的海洋和混合建模GODAE的上下文中

埃里克·p·Chassignet

抽象的一个海洋预报系统有三个组成部分(观察,数据同化,数值模型)。观测数据,通过数据同化,形成一个精确的模型预测的基础;海洋预报的质量主要取决于海洋数值模型的能力,忠实地代表了海洋物理和动力学。甚至使用无限数量的数据约束初始条件不一定会提高预测对持久性性能不佳的海洋数值模型。在本章的一些挑战与全球海洋介绍了建模和等密度线的数值模型制定的当前状态和混合垂直坐标的上下文中综述了全球海洋预报系统操作。

11.1介绍

本章的主要目的是审查等密度线的数值模型制定的当前状态和混合垂直坐标和讨论他们的应用程序的上下文中运行全球海洋预报系统和GODAE(全球海洋数据同化实验)。除了这个作者的作品,严重依赖章综述文章,指出,由r .黑鞋油和审查论文,s . Griffies a . Adcroft和r . Hallberg。引用适当,但这是不可避免的,这些出版物的内容和风格的一些相似之处将在这一章中出现。

如上所述在黑鞋油和Chassignet(1994),地球物理流体的数值模拟和数值天气预报开始半个世纪前。海洋大气模型,模型发展落后,主要是因为

Ocean-Atmospheric预测研究中心,32306 FL,塔拉哈西佛罗里达州立大学,美国电子邮件:(电子邮件保护)

a·席勒g . b . Brassington (eds),操作海洋学在21世纪,263年

DOI 10.1007 / 978 - 94 - 007 - 0332 - 2 _11©Springer科学+商业媒体帐面价值2011

气象预测,社会需求也因为固有的更复杂的循环系统在封闭的盆地和海水的非线性状态方程。此外,所需的计算能力来解决相关的物理过程(如斜压不稳定)是更大的海洋比大气由于这些过程发生在海洋中规模要小的多。从历史上看,海洋模型主要用于数值模拟主要描述海洋系统的时空尺度。模拟的物理完整性需要一个能够准确反映各种现象都解决,以及参数化的尺度变化没有解决(Chassignet和Verron 1998)。例如,运输属于类的代表性数值平流方案解决的问题,而次网格尺度的参数化运输有关湍流闭合考虑。虽然经常有重叠的地方表示和参数之间的差别是有用的,通常是各种模型开发的核心问题。

navier - stokes微分方程数值求解之前,他们必须被转化为一个代数系统,需要大量近似的转换过程。数值建模者努力实现数值精度。否则,离散化或“截断”错误引入了由有限差分近似微分或伽辽金方法成为有害的数值实现。截断误差的来源充足,许多这些错误强烈依赖模型的分辨率。例子包括水平坐标(球形和/或广义正交),垂直和水平网格,利用计划,表示层表面和底部边界,底部地形表示,状态方程,示踪和动量传输、亚格子尺度过程、粘度和扩散系数。数值模型提高了多年来不仅因为更好的物理理解,也因为现代计算机允许更多的忠诚表示微分方程的代数类似物。

旋转和分层流体的一个重要特征,如海洋、横向垂直运输的主导地位。因此,它是一种传统的东方海洋建模两水平正交坐标到本地垂直方向由重力。更艰难的选择是如何指定垂直坐标。事实上,正如所指出的各种海洋建模研究,如发电机(Meincke et al . 2001;Willebrand et al . 2001年)和DAMEE-NAB (Chassignet和Malanotte-Rizzoli 2000),一个的选择垂直坐标系统是一个海洋模型的最重要的一个方面的设计。表示和参数化的实际问题往往直接关系到垂直坐标的选择。目前,主要有三个垂直坐标在使用,没有提供普遍的效用。因此,许多开发人员一直在追求的动机研究混合方法。

概述Griffies et al。(2000),有三个政权的海洋时需要考虑选择一个适当的垂直坐标。首先是混合层表面。这个地区通常是动荡和由动量转移,热量,淡水,示踪剂。它通常很好混在垂直通过三维对流/动荡的过程。这些过程包括中尺度物理,这需要很高的水平和垂直分辨率(即明确表示。垂直,水平网格长宽比接近统一)。因此这些过程的参数化是必要的在海洋原始方程模式。相比之下,示踪剂在海洋内部运输过程主要发生在恒定密度方向(更准确地说,在中性方向)。因此,水质量特性的室内往往保存在大空间和时间尺度(如盆地和年代际尺度)。最后,有几个地区驱动电流密度(溢出)和湍流底部边界层过程作为一个强大的行列式的水质量特征。许多这样的形成过程是至关重要的在世界海洋深层水属性。

最简单的垂直坐标的选择(图11.1)是z,代表的垂直距离海洋表面。垂直坐标的另一个选择是潜在的密度引用给定的压力。在稳定分层绝热海洋,潜在的密度是物质守恒和定义了一个单调的分层海洋流体。第三个选择是地形跟踪协调。深度或z坐标为海洋提供了最简单、最建立框架建模。尤其适合情况与强烈的垂直/ diapycnal混合和/或低分层,但难以准确地代表海洋内部和底部。密度协调,另一方面,是适合建模观察到的趋势为示踪剂运输密度(中性)的方向,但在无层理的地区是不合适的。协调提供一个合适的框架在捕捉动态的情况下和/或边界层效应与地形相关是很重要的。尤其适合地形跟踪一个坐标建模在大陆架流,但仍未经证实的在全球建模环境。他们已经广泛使用了

图11.1一个海洋盆地的示意图说明海洋的三个政权考虑相关合适的垂直坐标。表面混合层自然是使用固定的深度来表示z坐标(或压强p),内部自然是用等密度线ppot(潜在密度跟踪)坐标,和底部边界自然使用地形跟踪一个坐标表示。(改编自Griffies et al . 2000年)

图11.1一个海洋盆地的示意图说明海洋的三个政权考虑相关合适的垂直坐标。表面混合层自然是使用固定的深度来表示z坐标(或压强p),内部自然是用等密度线ppot(潜在密度跟踪)坐标,和底部边界自然使用地形跟踪一个坐标表示。(改编自Griffies et al . 2000年)

海岸工程应用和预测(见Greatbatch和Mellor(1999)审查),以及区域和流域的研究阶段。

理想情况下,一个海洋模型应该保留它的水质量特征几个世纪以来的集成(密度坐标)的特点,在混合层表面高垂直分辨率适当的热力学的代表和生化过程(z坐标的特点),保持足够的垂直分辨率无层理的或弱分层区域的海洋,在沿海地区和高垂直分辨率(地形跟踪的特征坐标)。这已经导致了一些混合动力垂直坐标数值模型的最新发展,结合不同类型的垂直坐标的优势优化模拟沿海和公海循环特性。

GODAE上下文内,全球海洋模型目前使用或检测海洋预报系统可以分为两类:固定坐标(妈妈,尼莫,MITgcm NCOM,流行,奥卡姆,…)或主要拉格朗日坐标(NLOM、MICOM HYCOM,波塞冬,黄金,…)。读者被称为附录定义的缩写和引用。

11.2海洋模型GODAE要求

GODAE的具体目标是:

)应用先进的海洋产生短程公海预测模型和同化方法,边界条件扩大沿海地区子系统的可预测性,为气候预测模型和初始条件。raybet雷竞技最新

b)提供全球海洋分析发展中提高对海洋的理解,提高可预测性的评估海洋变化,和服务为基础改进设计和全球的有效性海洋观测系统。

海洋模型在这些不同的需求目标。高分辨率海洋作战需要中尺度特征的准确描述,如漩涡和蜿蜒曲折的方面,上海洋结构。沿海海平面应用程序需要准确迫于风、潮汐力和表面压力。Seasonal-to-interannual预测上的需要一个好的表示海洋质量场和耦合到一个气氛。这种多样性的应用程序意味着没有一个模型的配置足够灵活,以满足所有的目标。

为高分辨率海洋操作(见赫尔伯特et al。(2008、2009)审查),模型必须全球和eddy-resolving,高垂直分辨率和先进的上层海洋物理、和使用高性能数值代码和算法。中尺度可变性的一个好的表示,水平网格间距必须足够优秀能够解决斜压英斯达性过程。迄今为止最数值模拟表明,最小网格间距的1/10°(见赫特和Hasumi AGU的专著2008审查)需要良好的西部边界表示电流(包括海岸)的分离和艾迪的动能。全球海洋建模的计算要求在这个决议是极端的和最新的高性能计算的需求。因此,只有少数eddy-resolving全球海洋模型目前集成有或没有数据同化:NLOM 1/32°(施赖弗et al . 2007),流行1/10°(Maltrud和Mc-Clean 2005), HYCOM 1/12°(Chassignet et al . 2009年),和墨卡托/ NEMO 1/12°(Bourdalle-Badie和Drillet个人通信)。

11.3挑战

随着网格细化、海洋模型faceseveral挑战。本节总结了作者认为最相关的挑战,GODAE高分辨率海洋作战的目标。

Model-Related数据同化数据同化问题,有一个更大的海洋模型比大气模型的负担,因为(1)天气海洋数据是压倒性的表面,(2)海洋模型必须使用仿真技术在大气强迫转换成一个海洋的反应,和(3)海洋模型预测能力需要在卫星高度计数据的动态插值(自最近的高度计数据的平均年龄在重复重复跟踪是1/2周期+接收实时数据的延迟,目前一般1 - 3天)。具体地说,该模型必须能够准确反映海洋特性和领域观察到不充分或受到海洋数据。这个问题re-analyses,实时状况中尺度解决短时和短程预测(~ 1个月),和seasonal-to-interannual预测,包括异常的地理分布。海洋模拟技能尤为重要意思是电流和他们的传输(包括流经海峡),表面混合层深度,埃克曼表面电流,沿海海洋环流,北极循环,和深循环(包括组件由涡流、温盐环流,风)。

以吸收SSH(海面高度)异常确定从卫星高度计数据数值模型,有必要知道海洋是SSH的时期高度计观测。不幸的是,目前地球的大地水准面是不知道有足够的准确性提供一个准确的意思是SSH中尺度尺度重要。几个卫星任务正在进行或计划,以帮助确定更准确的大地水准面,而不是在一个晴朗的规模足以完全满足中尺度预报的需要。因此,它是至关重要的一个模型意味着合理准确,因为大多数海洋方面的意思是洋流通路不能大幅定义仅从水文气候学。

一些额外的问题,理论或技术,提出当海洋数值模型与数据同化技术一起使用。在所有数据同化方法,非线性位平面的主要来源。变分伴随方法往往需要发展模型,这是一个要求高的任务。根据垂直坐标,困难出现在处理非高斯统计在等密度线坐标模型层消失,或与对流不稳定过程在整个垂直列在z坐标模型。最后,定义之前猜错误,模型错误,从一个较小的程度上,观察错误,是很困难的。

迫使海洋模型将响应规定的大气强迫字段。目前的模型无法再现当今海洋环流在自由模式下运行时的结果不准确的强迫和数值模型本身,以及内在的n - s方程的非线性。准确的大气强迫,当使用体积公式计算海温和大气数据,结合模型已被证明是至关重要的,一个成功的海洋表面温度的预测,海面盐度和混合层深度。重要的是这里提到的处方表面迫使领域,目前在许多海洋预报系统,不允许大气反馈。这可能对15天预测影响有限,但在seasonal-to-interannual耦合大气模型是至关重要的事件的预测ENSO(调情1990;克拉克2008)。

与高分辨率地形建模需要高分辨率的地形。最常用的全球水深数据库是史密斯和桑德维尔(1997、2004)数据库,这是来自卫星高度计数据的组合和舰载试探。最新版本(http://topex.ucsd。edu/WWW_html/srtm30_plus.html)是在1/2分钟分辨率和覆盖整个地球,IBCAO地形的补丁杰可布森et al。(2000)在北极和各种高分辨率测深数据,这些数据是可用的。大部分,但不是全部,其他可用的全球水深数据集,例如,最新的GEBCO水深、ETOPO2, DBDB2,等等,利用史密斯和桑德维尔数据库在深海。各种深度测量法之间的差异常常可以发现产品在浅水区,卫星测高是更有用的,和当地高质量的数据集通常使用。而现代声学探测数据可以实现横向分辨率约100米,这样的数据覆盖,只有一小部分开放的海洋。地区不受这些数据,真正的功能解决史密斯和桑德维尔数据大约是由n次水体深度,即。大约10 - 20公里。高夫和Arbic(2010)最近创建了一个合成数据集的地形异常取决于当地的地球物理条件等海底扩张率。合成地形可以覆盖在史密斯和桑德维尔数据集创建全球深度测量法,有正确的统计纹理(粗糙度),即使并不deter-ministically正确“疙瘩”。

经向翻转环流的良好表示推翻循环对于海洋表面的一个适当的表示是至关重要的领域。特别是在北大西洋温盐经向翻转环流的贡献占很大一部分墨西哥湾流传输。许多因素,如混合层物理,冰的形成,溢出表示,和室内diapycnal混合,经向翻转环流的影响强度和路径。

冰模型需要全球海洋模型耦合到一个冰模型有适当的迫使高纬度地区,因此正确的密集的水质量的形成和循环。好冰周期的表现是很有挑战性的,特别是当大气字段是规定。另一个相关的问题是下面的混合层参数化冰。

溢出窗台上溢出通常涉及通道通过脊和水力影响的控制下,每一个都是高度依赖于地形的细节。密集的下坡的流动水,一般在底部附近湍流的薄层,可能强烈乘火车周围的水域,由中尺度调制生成漩涡靠近窗台上。下坡的流动的模拟密集水强烈海洋中不同模型基于不同垂直协调方案。z坐标模型,困难来自地形的逐步离散化,往往会产生引力不稳定的水包裹迅速与周围流体混合顺坡流下来。结果是一个强大的数值诱导混合流出的水下游的窗台上。这个数值诱导混合原则上会降低的水平和垂直网格间距是雅致。然而,仍在上述问题解决1/10°(见评论文章,雷格et al . 2009年)。

Diapycnal混合观测领域是最著名和最困难的模型是否正确,尤其是固定坐标模型(Griffies et al . 2000 b;李et al . 2002年)由于通常小水平在海洋内部混合远离边界(Ledwell et al . 1993年)。过度数值诱导diapycnal混合将导致错误的水质量的途径和一个贫穷的表示温盐环流。

内部潮汐重力波/解决不当内部重力波在定点坐标生成数值诱导diapycnal混合模型。一些数值技术可以用来减缓重力波,但最终会希望有一个diapycnal混合参数化模型表示的基础上内部重力波。包含天文潮汐迫使海洋潮汐模型产生正压,进而生成内部潮汐粗糙地形处的。直到最近,全球海洋环流的建模和潮汐已经独立的努力。第一次尝试模型全球环流和潮同时在高水平分辨率中描述Arbic et al。(2010)。相比之前的全球模型内部的潮汐,其中包括只有潮汐强迫和利用水平不同分层,分层不同水平的模型,还包括风能和buoyancy-forcing。Arbic et al。(2010)表明,一阶的水平不同分层影响潮汐,尤其是在极地地区。包含的潮汐环流模型也更有可能正确的影响占二次底部边界层阻力项。许多海洋环流模型背景插入一个假定的潮汐流,通常约5厘米/秒,进入二次阻力公式(例如,Willebrand et al . 2001年)。然而,在实际的海洋潮汐速度变化从深渊的1 - 2厘米/秒到0.5 - 1 m / s地区大型沿海潮汐。 Thus an assumed tidal background flow of 5 cm/s is too strong in the abyss and too weak in coastal areas. By actually resolving the (spatially inhomogeneous) tidal flows in a general circulation model, this problem can be corrected.

正压动作高频的使用(例如,3小时)迫使产生强烈non-steric正压动作不暂时解决通过卫星高度计(口吃et al . 2000年)。此外,施赖弗和赫尔伯特(2000)报告,5 - 10厘米rms SSH non-steric可变性主要生成当前系统在世界各地海洋。

粘度关闭尽管筛孔尺寸越小,粘度参数化建模仍然是重要的大型海洋环流(Chassignet和Garraffo 2001;Chassignet和马歇尔2008;赫克特et al . 2008年)。栅格间距达到一定阈值时,能量级联从小型到大型尺度应该正确所代表的物理模型。耗散应该规定数值的原因只是为了消除不可避免的网格规模的涡度拟能的积累。这是原因高阶双调和形式的摩擦等运营商历来喜欢eddy-resolving或eddy-permitting数值模拟。高阶符删除数值噪声在电网规模和离开大尺度大多没有被允许解决尺度的动力学运动主导subgrid-scale参数化(Griffies和Hallberg 2000)。除了数值关闭,粘度操作符也可以小尺度的参数化。最困难的任务之一,定义参数化的规范是雷诺应力的只有解决尺度的速度。常见的做法被认为大规模流动的湍流运动行为的方式类似于分子的粘度。 However, the resulting Laplacian form of dissipation removes both kinetic energy and enstrophy over a broad range of spatial scales, and its use in numerical models in general implies less energetic flow fields than in cases with more highly scale-selective dissipation operators. Some Laplacian dissipation is still needed to define viscous boundary layers and to remove eddies on space scales too large to be removed by biharmonic dissipation and too small to be numerically accurate at the model grid resolution.

沿海过渡区海洋预报的强劲需求将来自离岸产业,这扩大了它的活动从浅大陆架海域勘探和生产在大陆坡上,在海洋赖斯条款中发挥更重要作用和环境可接受的操作安全。勘探和生产现在发生在水深超过2000米的世界各地的石油和天然气盆地。适当的建模之间的过渡区深海和浅大陆架对海洋的强劲需求模型。它应该能够建模的典型浅水区在货架上,他们的特点混合水质量和强大的潮汐和风动电流。此外,它还必须正确地代表和区分水质量截然不同的特点在表面附近的深海和很长时间集成。与大陆架的交互/斜率也是一个有趣的问题,由于影响内部潮汐和波浪模式发展和传播沿大陆架斜坡。这包括远程生成波模式,如赤道生成开尔文波扮演重要角色在厄尔尼诺事件和可强烈影响遥远的沿海地区。

11.4潜在密度垂直坐标的使用

如上所述的介绍,垂直坐标系统的选择是一个海洋模型的最重要的一个方面的设计,因为表示和参数化的实际问题,前面几节中列出的许多挑战直接与垂直坐标的选择。没有“最好”的垂直坐标的选择因为所有离散方程的解决方案与任何垂直坐标应该往相应的微分方程的解决方案当网格大小趋于零。每个坐标系统折磨自己的截断误差,必须理解和优先的含义。

等密度线密度(潜在)坐标建模旨在消除截断误差通过逆转深度作为一个独立变量的传统角色和潜在的密度作为因变量。更具体地说,在动荡的分层流体混合,浮力效应发挥作用主要发生在等密度线或常量潜在的表面密度(Iselin 1939;蒙哥马利1940;麦克杜格尔和教堂1986)。如果盐的守恒方程和温度在(x, y, z)离散空间,也就是说,如果这些量的三维矢量传输进行数值计算是标量的总和(x, y, z)的传输方向,经验表明,它几乎是不可能避免的扩散运输变量在这些三个方向(Veronis 1975;雷迪1982;考克斯1987年;绅士和威廉姆斯1990,1995;Griffies et al . 2000 b)。因此,不管如何实际的混合的守恒方程,数值诱导混合是可能cross-isopycnal (diapycnal)组件,可能掩盖了常见diapycnal过程发生在自然(Griffies et al 2000 b)。 This type of truncation error can be mostly eliminated in isopycnic coordinate modeling by transforming the dynamic equations from (x,y,z)

p (x, y)坐标(1978年黑鞋油,1998;黑鞋油et al . 1992;黑鞋油和Chassignet 1994)。

首先,预后原始方程改写在坐标(x, y, s)年代是一个未指明的广义垂直坐标(黑鞋油2002)。

TT + v ^ + x v (s + f) k + - = pVsa - VaM g -

ds J dp

+ Ts (S£01 = Vs dp H-pP Vs0

v = (u, v)是水平向量,p是压力,6代表任何一个模型的热力学变量= p -是潜在的比容,g = dv / dx - du /来是相对涡度,M =广州+ pa是蒙哥马利潜力,f是科里奥利参数,k是垂直的单位向量,v和f是涡流粘度和扩散系数,t是风——和/或bottom-drag诱导剪切应力向量,和H是传热的源项的和身体力行6包括diapycnal混合。下标指示哪些变量是偏微分法期间保持不变。距离在x、y方向及其时间导数u, v,在在一个水平面投影测量。这种转换呈现非正交坐标系统在三维空间中,而消除了公制与5表面的斜率(黑鞋油1978)。其他指标条款,产品涉及时创建矢量(V)或(Vx)评估非笛卡尔网格(如球坐标),是吸收的主要条款通过评估涡度和水平通量差异(11.1)-(11.3)的线积分在单个网格框(见Griffies et al . 2000的更多细节)。注意,应用V一个标量,比如v2/2(11.1),不会产生公制。

其次,通过执行一个垂直整合协调层由两个表面有界停下来sbot,连续性Eq。(11.2)成为一个层单位面积重量预测方程,美联社= pbot - Ptop。

表达式(sdp / ds)代表了垂直在一个5表面质量流量,采取积极+ p向下的方向。乘法(11.1)的dp / ds和集成间隔(s sbot),其次是由美联社/部门,改变剪切应力项g /美联社(xtop Tbot),而横向动量混合

集成(美联社)1 Vs - (vApVsv)。所有其他条款(11.1)保留他们的正式亮相。层的集成形式(11.3)

上述预测方程补充几个诊断方程,包括流体静力学方程dM / da = p,状态方程联系潜在的温度,盐度,ppot和压力p,一个方程处方质量垂直通量(sdp / ds)通过一个5表面。

等密度的模型求解上述方程利用潜在的密度,垂直坐标5 p。流体是绝热的,潜在的密度守恒和运输在x, y方向然后发生在等密度的表面模型。这使得等密度的模型非常绝热和允许他们避免引入数值扩散在垂直,可以麻烦在z或协调模型。运输在z方向转化为运输沿着ppot轴,可以完全抑制,所以要是想也就是说,它没有多余的diapycnal组件。结果,假的换热温暖的表层海水和寒冷的深海水域和水平之间的热交换等倾斜isopyc-nals这些标记额叶区最小化。然而,潜在的表面密度不是中性表面(麦克杜格尔和教堂1986)和dianeutral通量可能因此出现当潜在的密度是用作垂直坐标。协调表面偏离中立、平流、扩散作用沿着这些表面会诱发一些dianeutral混合。dianeutral通量的影响从扩散可以减少/消除旋转扩散算子沿中性方向采取行动的方式类似于用于固定坐标模型(Griffies et al . 2000年)。此外,非线性状态方程中引入了新的海洋物理资源混合,即。,两个活动的独立运输路径(温度和盐度)需要重新映射算法保留字段内预先确定密度类。dianeutral混合水平引入重新映射算法通常是微不足道的,但它尚未系统地记录(Griffies和Adcroft 2008)。参考压力,现在的标准是2000分贝为等密度线坐标模型,因为它会导致一些地区协调反演和a2的斜坡(潜在密度2000分贝)表面接近中性表面。包含thermobaricity(即。的海水,压缩状态方程)在海洋等密度线坐标模型中描述太阳et al。(1999)和Hallberg (2005)。自由表面的必要性,妥善协调估计身高在使用mode-splitting Hallberg时间步进方案讨论和Adcroft (2009)。

等密度线协调模型的关键优势可以概括如下:(a)他们非常适合代表示踪剂运输没有任何大型数值诱导垂直混合只要等容度相当中性面平行;(b)他们节省下密度类绝热运动;(c)底部地形是分段线性的方式,因此避免了传统上需要区分下从侧面进行z坐标模型;和(d)溢出得到了很好的体现。等密度线协调模型的主要缺点是它无法正确代表混合层表面或底部边界层自这些层大多是无层理的。的例子iso-pycnal模型NLOM Wallcraft et al (2003), MICOM(黑鞋油et al . 1992;黑鞋油和Chassignet 1994;1998年黑色物质),他(Hallberg 1995、1997), OPYC (Oberhuber 1993)和POSUM。

正如我们已经提到的,目前使用的三个主要垂直坐标(z,等容度,或)提供通用实用工具,和混合方法已经开发出来,试图结合不同类型的垂直坐标的优势优化模拟海洋。术语“混合垂直坐标”可以对不同的人意味着不同的东西:它可以是一个传统的线性组合两个或两个以上的坐标(歌曲和Haidvogel 1994;以察和Mellor 2004;巴伦et al . 2006年)也可以是真正的推广,即。,旨在模拟在不同地区不同类型的坐标模型的域(黑鞋油2002;伯查德和贝克尔2004;Adcroft和Hallberg 2006;歌和侯2006)。海洋Adcroft和Hallberg(2006)分类广义坐标模型作为Lagrang-ian垂直方向(LVD)或一个欧拉垂直方向(EVD)模型。LVD模型的连续性(厚度趋势)方程是解决在时间域,而任意场(ALE)技术用于再现垂直坐标和维护域内的不同坐标类型。 This differs from the EVD models with fixed depth and terrain-following vertical coordinates that use the continuity equation to diagnose vertical velocity.

海洋混合或广义坐标模型,有很多共同之处与等容度模型和被归类为LVD模型波塞冬(Schopf和Loughe 1995)和HYCOM(黑鞋油2002;Chassignet et al . 2003;哈利维尔2004)。目前处于开发其他广义垂直坐标模型有HYPOP和黄金。HYPOP是流行的混合动力版,不同于HYCOM和波塞冬,动量方程继续解决z坐标而示踪方程解决了使用垂直坐标的啤酒计划。这种方法允许模型利用深度的垂直坐标混合层在使用一个更拉格朗日(如等容度)协调在深海。金,“广义动力学海洋层”模型,目的是将车辆整合的海洋气候模型的开发工作在GFDL,包括妈妈和他。raybet雷竞技最新

11.5应用程序:混合协调海洋模型(HYCOM)

广义垂直坐标HYCOM偏离等容度(常数潜在密度表面)只要后者可能折叠,露头,或通常提供垂直分辨率不足部分模型的域。

HYCOM其核心是拉格朗日层模型,除了重新映射的垂直坐标的混合坐标发电机毕竟方程解决(黑鞋油2002;Chassignet et al . 2003;哈利维尔2004)和事实有一个非零水平密度梯度在所有层。HYCOM因此列为一个LVD模型。能力调整坐标平面的垂直间距在HYCOM简化了数值实现的几个物理过程(例如,混合层扣留,对流调整,海冰建模)在不伤害数值模型的基本和有效的垂直分辨率的特点是在海洋的大部分体积等密度的模型(黑鞋油和Chassignet 1994;Chassignet et al . 1996年)。

HYCOM是合作的结果开始年代末被海洋建模者在海军研究实验室,尼斯,女士,在迈阿密大学的同事罗森斯蒂尔海洋和大气科学学院关于适用性的范围的扩展美国海军作战海洋预报系统的沿海地区(如美国海军系统当时严重限制在浅水和处理从深水到浅水的转变)。HYCOM(黑鞋油2002)因此旨在扩展现有操作的范围海洋环流模式(OGCMs)。广义的自由调整垂直间距(或混合)协调层HYCOM简化了数值实现的几个流程和允许从深海沿海政权平稳过渡。HYCOM保留其前任的特点,许多MICOM,同时允许本地坐标偏离等密度线只要后者可能折叠,露头,或提供的垂直分辨率通常不充分。财团的合作导致了发展海洋同化hybrid-coordinate数据建模支持NOPP使HYCOM先进的社区海洋模型与数据同化能力(1)可以用于各类研究的大范围的确定;(2)成为下一代eddy-resolving全球海洋预报系统;和(3)耦合到各种其他模型,包括滨海、大气、冰和生化。HYCOM财团成为美国GODAE组件之一,协调国际体系的观测,通信、建模、同化,提供定期、全面的信息海洋的状态(见Chassignet和Verron(2006)审查)。海军和美国国家海洋和大气管理局应用,如海上安全、渔业、海洋产业,和货架管理/沿海地区的预期受益者HYCOM海洋预报系统(http://www.hycom.org)。更具体地说,海洋中尺度特征的精确知识和预测有助于美国海军,美国国家海洋和大气管理局,美国海岸警卫队,石油工业和渔业船舶和潜艇等努力路由、搜救、溢油漂移预测,开放的海洋生态系统监控、渔业管理和短程耦合的硕士,沿海和近岸环境预测。除了操作eddy-resolving全球和海洋盆地规模预测系统为美国海军和美国国家海洋和大气管理局,分别,这个项目提供了一个优秀的机会

NOAA-Navy合作从研究到执行层面(见Chassignet et al . 2009年)。

11.5.1混合协调发电机

HYCOM,最佳的垂直坐标分布的三种垂直坐标(压力、等密度线、σ)是选择在每一个时间步长和在每一个网格单独列。缺省配置HYCOM等密度线在开放的分层海洋,但它使一个动态和几何平稳过渡到地形跟踪坐标系在浅的沿海地区和固定压力级(大众保护)的坐标平面混合层和/或un-stratified公海。在这一过程中,模型利用不同的协调类型的优化模拟沿海和公海循环特性(Chassignet et al . 2003, 2006, 2007, 2009)。user-chosen选项允许规范控制的垂直坐标分离三个坐标系统之间的转换(Chassignet et al . 2007年)。额外的分配协调表面的海洋混合层也允许简单的实现多个垂直混合湍流闭合方案(哈利维尔2004)。垂直混合参数化的选择也是重要的地区强劲的夹带,如溢出(Papadakis et al . 2003;徐et al . 2006, 2007;莱格et al . 2009年)。

广义的实现垂直坐标HYCOM遵循理论基础提出在黑鞋油和Boudra(1981)和黑鞋油和本杰明(1993):即。表面,每个协调分配等容度的引用。模型不断检查是否躺在他们的参考等密度的网格点,,如果不是,尝试移动它们垂直参考位置。然而,网格点不允许迁移时,这将导致过度拥挤协调表面。因此,垂直网格点可以几何约束深度保持在一个固定的压力而被允许加入并遵循他们在邻近地区的参考等容度(黑鞋油2002)。后的模型方程,然后混合协调发电机迁址垂直界面恢复等密度的条件下在海洋内部最大限度,而执行的最小厚度要求垂直坐标之间(见Chassignet et al。(2007)详情)。如果一层密度,密度小于它的等密度线参考发生器试图移动界面底部向下的通量密度较大的水在这个接口增加密度。如果层的密度比它的等密度线参考密度、发电机试图向上移动上层界面密度降低。在这两种情况下,发电机第一次计算的垂直距离的接口必须被重新安置,成交量加权密度原加新水图层等于参考密度。最低允许每一层的厚度在每个模型中网格点然后使用用户提供的标准计算,然后最后的最小厚度是计算使用一个“缓冲”功能(2002年黑鞋油)生产顺利做出从p的等密度线和一个域。约束的最小厚度不执行在大洋底部,允许模型层崩溃零厚度,如MICOM。 Repeated execution of this algorithm at every time step maintains layer density very close to its reference value as long as a minimum thickness does not have to be maintained and diabatic processes are weak. To ensure that a permanent p coordinate domain exists near the surface year round at all model grid points, the reference densities of the uppermost layers are assigned values smaller than any density values found in the model domain.

图11.2展示了过渡发生betweenp / a和等密度线(p)坐标在秋季和春季上400米的架子上

24 n 26 28 n 30 n 32 34 36 38 n

图11.2上400南北速度截面沿着124.5°E在1/25°东海和黄海HYCOM嵌入在1/6°北太平洋配置迫使气候月风。在秋天,水体分层在架子上,可以用等密度的表示(ppot)。b在春天,水柱在架子上均质和垂直坐标变成一个混合物的压力(p)水平和地形跟踪(a)水平。架子上的等密度的层数;数越高,密度层。(从Chassignet et al . 2007年)

24 n 26 28 n 30 n 32 34 36 38 n

图11.2上400南北速度截面沿着124.5°E在1/25°东海和黄海HYCOM嵌入在1/6°北太平洋配置迫使气候月风。在秋天,水体分层在架子上,可以用等密度的表示(ppot)。b在春天,水柱在架子上均质和垂直坐标变成一个混合物的压力(p)水平和地形跟踪(a)水平。架子上的等密度的层数;数越高,密度层。(从Chassignet et al . 2007年)

中国和黄色的海洋。在秋天,水体分层,很大程度上可以用等密度的表示;在春天,水柱在架子上,是由均相混合物p的坐标。等密度线坐标的一个特定的优点是说明了上述Ku-roshio密度前由锋利的峰值(唇)地形shelfbreak在图11.2。由于唇地形是只有几个网格点宽,这个地形和相关的前面是最好的代表等密度的坐标。在其他应用程序中在沿海海洋,它可能更希望提供高分辨率从表面到下充分解决水的垂直结构属性和底部边界层。因为垂直坐标的选择了公海HY-COM通常运行最大化的分数等密度的水柱,常常需要添加更多的层vertical-to-coastal HYCOM模拟嵌套在大规模HYCOM运行。一个例子使用嵌套西佛罗里达架子上模拟(哈利维尔et al . 2009年)见图11.3中的横截面。最初的垂直离散化相比,其他两个顶部添加了六层:与p坐标,另一个坐标在架子上。这说明垂直坐标的灵活性可以由用户选择。

保持混合垂直坐标可以被认为是逆风有限体积平流。原始网格生成器(2002年黑鞋油)使用这种类型的最简单的方案,第一顺序供体细胞的方案。这个方案的一个主要优势是移动一层界面并不影响下风口处的层剖面(下火车)层,极大地简化了重新映射等密度的层。然而,该计划时扩散层再现(没有扩散,当层接口保持在原来的位置)。等容度层需要最小重新映射,以应对疲弱室内diapycnal扩散系数,但固定协调层通常需要大量重新映射,特别是在重大的地区上涌或下降。因此,为了减少扩散与重新映射,网格生成器首次取代了一个分段线性方法(PLM) monotonized中心差分(MC)限幅器(van秋波1977)层固定坐标,同时仍然使用供体细胞层,逆风是固定期限(因此倾向于等密度线坐标)。PLM取代了“常数在每个层”的供体细胞与线性剖面等于层平均的中心层。斜率必须保持单调性有限。有许多可能的限制,但MC限幅器是一种广泛应用(桑德琳。2002)。最新版本的网格生成器使用加权本质上(WENO)——采用分段抛物线方法(PPM)方案以提高准确性。 The generator also has been modified for situations when there is a too-light layer on top of a too-dense layer, i.e., when each layers attempts to gain mass at the expense of the other. Previously the generator chose each layer half of the time, but in practice the thicker of the两层倾向于获得质量和随着时间的推移,薄层往往变得非常薄,保持这种方式。现在两层的薄总收益质量的厚层,大大减少这种倾向对层崩溃。

图11.3截面层密度和模型接口在西佛罗里达在1/25°西佛罗里达货架子域覆盖墨西哥湾以东23°以北87°W和N(哈利维尔et al . 2009年)。(从2006年Chassignet et al ., 2007)

11.5.2 HYCOM海洋预报系统(http://www.hycom.org)

数据同化海洋预测是至关重要的,因为(a)许多海洋现象是由于非线性过程(即。,流不稳定),因此不确定性反应大气强迫;(b)错误存在于大气强迫;和(c)海洋模型是不完美的,包括限制在数值算法和决议。大部分的海洋表面的时空变异性信息从仪器上获得远程卫星(即海面高度和海洋表面温度),但这些观察不足指定地下变异性。垂直剖面从消耗品深海温度测量器(XBT)准确性,conductivity-temperature-depth (CTD)分析器,和分析浮动(例如,阿尔戈,测量温度和盐度在海洋上2000)提供数据的另一个重要来源。连在一起,这些数据集是完全不足以确定海洋的国家,所以有必要使用之前统计知识根据过去的观察以及我们目前对海洋动力学的理解。通过结合所有这些观测数据同化成一个海洋模式,这是有可能的,原则上,动态产生一个一致的描述海洋。然而,有预测能力,它是极其重要的,自由发展(即海洋模型。代表海洋,non-data-assimilative模型)技能感兴趣的特性。

适当吸收SSH从卫星高度计数据异常坚定,海洋是SSH高度计观测期间必须提供。这意味着,至关重要的是,意味着当前系统和相关的SSH方面被准确地代表的位置,振幅和清晰度。不幸的是,目前地球的大地水准面是不知道为此有足够的精度,和粗水文气候学(~ 0.5°1°水平分辨率)不能提供必要的空间分辨率在同化SSH eddy-resolving模型(1/10°或细水平网格间距)。在这些尺度的利益,就有必要大幅边界电流和相关方面的观察方式定义(赫尔伯特et al . 2008年)。图11.4显示了气候意味着派生0.5°网格使用由Maximenko表面流浪者和Niiler(2005)以及平均为1/12°海军派生全球HYCOM预测系统(有关详细信息,请参阅下一部分)。HYCOM意味着构建如下:5年的意思是SSH字段的数据同化全球1/12°HYCOM运行与可用的气候学和橡皮布技术(肉体et al . 1996年)被用来修改模型意味着两个地区(墨西哥湾流和黑潮)西部边界电流扩展并不代表和在一个精确的额位置对海洋预测是至关重要的。橡皮布是一套计算机程序,使用SSH领域,覆盖轮廓参考字段和移动质量的水弹性(因此橡皮布)的一种方式。

图11.4意味着SSH (cm)来源于表面流浪者(Maximenko和Niiler 2005)(前面板)和数据同化HYCOM运行纠正在墨西哥湾流和黑潮区域使用橡皮布技术(下半部分)。RMS区别两个字段是9.2厘米。(从Chassignet et al . 2009年)

18 -0.4 -1.2 -1.6 1 4 1 0 8 0 6 0 2 0 0.8 0.2 0 4 0 6

图11.4意味着SSH (cm)来源于表面流浪者(Maximenko和Niiler 2005)(前面板)和数据同化HYCOM运行纠正在墨西哥湾流和黑潮区域使用橡皮布技术(下半部分)。RMS区别两个字段是9.2厘米。(从Chassignet et al . 2009年)

两个系统目前运行在实时由美国海军在NAVOCEANO,密西西比州的斯坦尼斯空间中心,女士和NOAA在摘要,华盛顿特区第一个系统是实时NOAA大西洋海洋预报系统(RTOFS-Atlantic),自2005年以来一直运行在实时。大西洋领域跨越25°s - 76°N与4公里水平分辨率不同美国海岸线附近20公里在非洲海岸附近。系统日常运行状况一天短时和5天的预测。2007年6月之前,只有海洋表面温度同化。2007年6月,美国国家海洋和大气管理局实现(1)3 d-var数据同化的海面温度和海平面高度(杰森,GFO,很快特),(2)温度和盐度资料同化(阿尔戈、连续油管锚等),和(3)数据。计划扩大该系统在全球范围内使用。年代海军下面的段落中描述的配置。NCEP

RTOFS-Atlantic模型数据是通过摘要的分布式实时操作ftp服务器(ftp://ftpprd.ncep.noaa.gov)和美国国家海洋和大气管理局操作模型存档和分布系统(游牧民族,http://nomads6.ncdc.noaa.gov/ncep_data/in-dex.html)服务器。后者服务器也使用简化中间件作为数据访问方法。摘要RTOFS-Atlantic模型数据同时存档国家海洋数据中心(NODChttp://data.nodc.noaa.gov/ncep/rtofs)。

第二个系统是全球美国海军的短时预测/预测系统使用需要美国所有企业提供全球HYCOM°1/12(6.5公里网格间距平均3.5公里网格间距在北极,和32混合层在垂直),2006年12月以来一直在接近实时的运行和实时自2007年2月。目前冰模型热力学,但它很快就会包括更多的物理是升级到极地冰预测系统(pip值,基于洛斯阿拉莫斯CICE冰模型)。模型是目前NAVOCEANO运行日常使用操作机器上配置的一部分。5天的日常运行由追算,5天的预测。系统理解(1)SSH(萨特、GFO和jason - 1号),(2)SST(所有可用卫星和现场来源),(3)所有可用的现场温度和盐度资料(阿尔戈、连续油管锚等),和(4)SSMI海冰浓度。三维多变量最优插值海军耦合海洋资料同化(NCODA)(2005年Cummings)系统是同化技术。NCODA水平相关性的多元位势和速度,从而允许调整(增量)质量领域与调整流场。速度调整地转平衡位势的增量,位势的增量在静水与温度和盐度的增量。库珀和海恩斯(1996)技术或合成温度和盐度资料(福克斯et al . 2002年)可以使用SSH和SST的下行投射。预测性能的一个例子是显示在图11.5

验证的结果正在使用独立的数据集中在大型循环特性,SSH可变性,艾迪动能,混合层深度、垂直的温度和盐度,SST和沿海海平面(Metzger et al . 2008年)。图11.6和11.7显示例子墨西哥湾流区域在图11.8文档HYCOM的性能表示混合层深度。HYCOM也积极参与国际GO-DAE全球海洋预报系统的比较。

11.5.3分布全球HYCOM追和预测

模型输出从全球美国海军追算实验从2003年11月至今可通过HYCOM财团网页,http://www.hycom.org。HYCOM数据分布团队开发和实现了一个全面的数据管理和分销策略,允许简单的和

图11.5验证的30天的海洋预测:SSH中值异常的相关性和预测长度与验证分析相比全球U。年代海军HYCOM世界各地的海洋和五个亚区。试管曲线验证预测大气强迫使用操作,这将对气候学后5天。绿色曲线验证与分析质量“预测”期间强迫和蓝色曲线验证预测的持久性(即。从初始状态),没有变化。情节显示统计中值二十30天HYCOM预测初始化在2004年1月- 2005年12月,一段当数据从三个nadir-beam高度计,萨特,GFO jason - 1号,被同化。读者被称为赫尔伯特et al。(2008、2009)的更详细的讨论这些结果。(从Chassignet et al . 2009年)

10个20天预测

图11.5验证的30天的海洋预测:SSH中值异常的相关性和预测长度与验证分析相比全球U。年代海军HYCOM世界各地的海洋和五个亚区。试管曲线验证预测大气强迫使用操作,这将对气候学后5天。绿色曲线验证与分析质量“预测”期间强迫和蓝色曲线验证预测的持久性(即。从初始状态),没有变化。情节显示统计中值二十30天HYCOM预测初始化在2004年1月- 2005年12月,一段当数据从三个nadir-beam高度计,萨特,GFO jason - 1号,被同化。读者被称为赫尔伯特et al。(2008、2009)的更详细的讨论这些结果。(从Chassignet et al . 2009年)

图11.6表面(前面板)和700(低板)涡旋动能从观察(leftpanels)和在2004 - 2006年期间HYCOM (rightpanels)。观察到的表面涡流动能(左面板上)是来自Fratantoni(2001)和700米艾迪动能施密茨(左下方面板)来自(1996)。单位是厘米2 / s2。覆盖在顶部面板是墨西哥湾流北墙位置±1标准偏差。(从Chassignet et al . 2009年)

图11.6表面(前面板)和700(低板)涡旋动能从观察(leftpanels)和在2004 - 2006年期间HYCOM (rightpanels)。观察到的表面涡流动能(左面板上)是来自Fratantoni(2001)和700米艾迪动能施密茨(左下方面板)来自(1996)。单位是厘米2 / s2。覆盖在顶部面板是墨西哥湾流北墙位置±1标准偏差。(从Chassignet et al . 2009年)

有效的访问全球HYCOM-based海洋预测系统输出(a)沿海和区域建模组;(b)更广泛的海洋和科学界,包括气候和生态系统研究人员;raybet雷竞技最新公众和(c)。推广系统由一个web服务器作为网关到后端数据管理、分布、和可视化应用程序(http://www.hycom。org/dataserver)。这些应用程序使终端用户能够获得广泛的服务,如浏览数据集,GIF图像,NetCDF文件,FTP请求的数据,等。130 tb HYCOM数据共享系统是建立在两个现有软件组件:网络数据访问协议的开放项目(简化)(Cornillon et al . 2009年)和现场访问服务器(LAS) (http://ferret。pmel.noaa.gov /拉/)。下面将描述这些工具和他们的数据分布方法。在当前的设置中,简化组件提供了所需的中间件访问分布式数据,而拉斯维加斯作为用户界面和产品服务器功能。提供的抽象简化服务器还可以定义一个虚拟数据集,拉斯维加斯将采取行动,而不是物理文件。一个海上冲浪,身高20080908 (90.3)

30 W 75 W 70 W BSW正在播种45 W 4 dw西南偏南约6 sw弓

图11.7海面高度场的建模分析9月8日,2008年。白线代表独立自主的海洋表面温度观测前沿分析执行的将是海军海洋图像办公室。(从Chassignet et al . 2009年)

30 W 75 W 70 W BSW正在播种45 W 4 dw西南偏南约6 sw弓

图11.7海面高度场的建模分析9月8日,2008年。白线代表独立自主的海洋表面温度观测前沿分析执行的将是海军海洋图像办公室。(从Chassignet et al . 2009年)

简化“聚合服务器”利用这种方法来添加模型时间步骤从许多单独的文件到虚拟数据集。HYCOM数据服务已经在操作在过去四年,在用户出现了稳定的增长。去年,服务收到大约每月20000的点击量。除了众多教育机构和研究人员的要求,这项服务已经提供接近实时的数据产品几家私人公司在法国,荷兰,葡萄牙,和美国

11.5.4区域和边界条件沿海的模型嵌套在HYCOM

数据同化HYCOM系统的一个重要属性是它的能力,提供更高分辨率的沿海区域和边界条件模型。当前全球预测的水平和垂直分辨率

图11.8中值偏移误差混合laye之类的(单位:米)

继续阅读:海洋生物地球化学模型和数据同化

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