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海洋數(shù)值模擬 版權(quán)信息
- ISBN：9787030690326
- 條形碼：9787030690326 ; 978-7-03-069032-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無(wú)
- 重量：暫無(wú)
- 所屬分類：>
海洋數(shù)值模擬 本書(shū)特色
適讀人群 ：海洋科學(xué)及相關(guān)學(xué)科的師生，海洋管理、海洋開(kāi)發(fā)、海洋交通運(yùn)輸和海洋環(huán)境保護(hù)等方面的科技人員本書(shū)為“十三五”江蘇省高等學(xué)校重點(diǎn)教材，旨在全面、系統(tǒng)介紹海洋數(shù)值模擬的基本理論和方法及當(dāng)前常用的海洋數(shù)值模式。
海洋數(shù)值模擬 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書(shū)全面、系統(tǒng)介紹海洋數(shù)值模擬的基本理論和方法以及當(dāng)前常用的海洋模式。本書(shū)共分8章, 從海水運(yùn)動(dòng)基本控制方程出發(fā), 介紹數(shù)值模擬的基本理論, 包括方程的推導(dǎo)、離散和求解, 還重點(diǎn)介紹了海洋模式中常用的參數(shù)化方案, *后介紹海氣耦合模式、海流模式、波浪模式等模式的研究進(jìn)展和應(yīng)用實(shí)例。
海洋數(shù)值模擬 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 海洋數(shù)值模擬基礎(chǔ)概念和參數(shù)化方案 1
1.2 常見(jiàn)的海洋數(shù)值模式 4
1.2.1 海流模式 4
1.2.2 波浪模式 5
1.2.3 海氣耦合模式 5
1.2.4 大洋環(huán)流模式 6
1.2.5 其他模式 7
第2章 海洋數(shù)值模擬基本知識(shí) 9
2.1 海水運(yùn)動(dòng)控制方程 9
2.1.1 笛卡兒直角坐標(biāo)系下海水運(yùn)動(dòng)控制方程 9
2.1.2 球坐標(biāo)系下海水運(yùn)動(dòng)控制方程 13
2.1.3 垂向坐標(biāo)σ坐標(biāo)系下海水運(yùn)動(dòng)控制方程 16
2.2 海洋數(shù)值模擬離散方法 18
2.2.1 有限差分法 18
2.2.2 有限差分格式的相容性、收斂性及穩(wěn)定性 23
2.2.3 有限差分格式的穩(wěn)定性分析方法 25
2.2.4 CFL條件 30
2.2.5 有限差分格式截?cái)嗾`差分析 32
2.3 常系數(shù)二階偏微分方程的數(shù)值求解方法 34
2.3.1 雙曲型方程 34
2.3.2 拋物型方程 35
2.3.3 橢圓型方程 38
思考題 41
第3章 海洋數(shù)值模擬參數(shù)化方案 42
3.1 湍流參數(shù)化方案 43
3.1.1 基本概念 43
3.1.2 Prandtl混合長(zhǎng)湍流閉合方案 46
3.1.3 標(biāo)準(zhǔn)k-ε參數(shù)化方案 47
3.1.4 Mellor-Yamada參數(shù)化方案 48
3.1.5 混合型參數(shù)化方案 49
3.1.6 KPP參數(shù)化方案 51
3.2 中尺度參數(shù)化方案 55
3.2.1 Redi 82方案 56
3.2.2 GM 90參數(shù)化方案 56
3.3 次中尺度過(guò)程參數(shù)化方案 58
3.3.1 次中尺度過(guò)程 58
3.3.2 混合層次中尺度不穩(wěn)定參數(shù)化方案 59
3.3.3 對(duì)稱不穩(wěn)定參數(shù)化方案 60
3.4 海氣界面與海底邊界過(guò)程參數(shù)化方案 63
3.4.1 海氣界面熱量輻射參數(shù)化方案 63
3.4.2 海氣界面動(dòng)量交換參數(shù)化方案 64
3.4.3 海氣界面飛沫過(guò)程參數(shù)化方案 67
3.4.4 海底邊界應(yīng)力參數(shù)化方案 68
3.5 水平混合參數(shù)化方案 70
3.5.1 Laplacian參數(shù)化方案 70
3.5.2 Biharmonic參數(shù)化方案 71
3.5.3 Smagorinsky參數(shù)化方案 71
3.6 其他參數(shù)化方案 72
3.6.1 對(duì)流參數(shù)化方案 72
3.6.2 浪致混合參數(shù)化方案 73
思考題 76
第4章 海流模式及其應(yīng)用 77
4.1 區(qū)域海流模式及其應(yīng)用 77
4.1.1 ROMS 77
4.1.2 FVCOM 89
4.1.3 POM 93
4.2 全球海流模式及其應(yīng)用 95
4.2.1 MITgcm 95
4.2.2 HYCOM 98
4.2.3 MOM及其數(shù)值產(chǎn)品：OFES 101
4.2.4 LICOM 103
4.2.5 NEMO 107
思考題 107
第5章 波浪模式及其應(yīng)用 108
5.1 SWAN模式 109
5.1.1 模式模擬的物理過(guò)程 109
5.1.2 模式的控制方程和源項(xiàng) 110
5.1.3 模式的數(shù)值求解方法 113
5.2 WaveWatch模式 114
5.2.1 模式物理過(guò)程 114
5.2.2 模式的控制方程和源項(xiàng) 114
5.2.3 模式的數(shù)值求解方法 115
5.3 LAGFD-WAM模式 116
5.3.1 球坐標(biāo)系下的海浪能譜平衡方程 116
5.3.2 球坐標(biāo)系下的特征線方程 117
5.4 混合型海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式 119
5.4.1 文氏風(fēng)浪譜 119
5.4.2 混合型海浪預(yù)報(bào)模式方程 120
5.5 模式的應(yīng)用 121
5.5.1 SWAN模式的應(yīng)用實(shí)例1 121
5.5.2 SWAN模式的應(yīng)用實(shí)例2 122
思考題 123
第6章 海氣耦合模式及其應(yīng)用 124
6.1 WRF模式簡(jiǎn)介 124
6.1.1 WRF模式基本方程 125
6.1.2 WRF模式基本結(jié)構(gòu) 128
6.2 COAWST模式簡(jiǎn)介 130
6.2.1 耦合器簡(jiǎn)介 130
6.2.2 COAWST耦合方案 131
6.3 COAWST模式應(yīng)用 132
思考題 135
第7章 大洋環(huán)流模式在氣候變化研究中的應(yīng)用 136
7.1 全球大洋在氣候變化中的作用 136
7.2 大洋環(huán)流模式簡(jiǎn)單回顧 140
7.3 ENSO的氣候意義及模擬 140
7.3.1 ENSO的來(lái)歷及其氣候意義 140
7.3.2 ENSO的模擬 142
7.4 大洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的氣候意義及模擬 145
7.4.1 大洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的氣候意義 145
7.4.2 大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的模擬 147
7.4.3 太平洋熱帶環(huán)流圈和副熱帶環(huán)流圈的模擬 149
思考題 151
第8章 其他常用海洋模式 152
8.1 大渦模擬 152
8.1.1 模式介紹 152
8.1.2 海洋中LES理論和方法 152
8.1.3 LES的應(yīng)用 154
8.2 海冰模式 156
8.2.1 CICE海冰模式 156
8.2.2 ROMS中的海冰模塊 159
8.2.3 模式應(yīng)用 160
8.3 海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型 162
8.3.1 NPZD模型控制方程 162
8.3.2 海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型個(gè)例 165
8.4 海洋沉積輸運(yùn)模式 166
8.4.1 沉積輸運(yùn)模式介紹 166
8.4.2 沉積輸運(yùn)模式控制方程 166
8.4.3 模式應(yīng)用 168
思考題 168
參考文獻(xiàn) 169
附錄 181
后記 187
第1章 緒論 1
1.1 海洋數(shù)值模擬基礎(chǔ)概念和參數(shù)化方案 1
1.2 常見(jiàn)的海洋數(shù)值模式 4
1.2.1 海流模式 4
1.2.2 波浪模式 5
1.2.3 海氣耦合模式 5
1.2.4 大洋環(huán)流模式 6
1.2.5 其他模式 7
第2章 海洋數(shù)值模擬基本知識(shí) 9
2.1 海水運(yùn)動(dòng)控制方程 9
2.1.1 笛卡兒直角坐標(biāo)系下海水運(yùn)動(dòng)控制方程 9
2.1.2 球坐標(biāo)系下海水運(yùn)動(dòng)控制方程 13
2.1.3 垂向坐標(biāo)σ坐標(biāo)系下海水運(yùn)動(dòng)控制方程 16
2.2 海洋數(shù)值模擬離散方法 18
2.2.1 有限差分法 18
2.2.2 有限差分格式的相容性、收斂性及穩(wěn)定性 23
2.2.3 有限差分格式的穩(wěn)定性分析方法 25
2.2.4 CFL條件 30
2.2.5 有限差分格式截?cái)嗾`差分析 32
2.3 常系數(shù)二階偏微分方程的數(shù)值求解方法 34
2.3.1 雙曲型方程 34
2.3.2 拋物型方程 35
2.3.3 橢圓型方程 38
思考題 41
第3章 海洋數(shù)值模擬參數(shù)化方案 42
3.1 湍流參數(shù)化方案 43
3.1.1 基本概念 43
3.1.2 Prandtl混合長(zhǎng)湍流閉合方案 46
3.1.3 標(biāo)準(zhǔn)k-ε參數(shù)化方案 47
3.1.4 Mellor-Yamada參數(shù)化方案 48
3.1.5 混合型參數(shù)化方案 49
3.1.6 KPP參數(shù)化方案 51
3.2 中尺度參數(shù)化方案 55
3.2.1 Redi 82方案 56
3.2.2 GM 90參數(shù)化方案 56
3.3 次中尺度過(guò)程參數(shù)化方案 58
3.3.1 次中尺度過(guò)程 58
3.3.2 混合層次中尺度不穩(wěn)定參數(shù)化方案 59
3.3.3 對(duì)稱不穩(wěn)定參數(shù)化方案 60
3.4 海氣界面與海底邊界過(guò)程參數(shù)化方案 63
3.4.1 海氣界面熱量輻射參數(shù)化方案 63
3.4.2 海氣界面動(dòng)量交換參數(shù)化方案 64
3.4.3 海氣界面飛沫過(guò)程參數(shù)化方案 67
3.4.4 海底邊界應(yīng)力參數(shù)化方案 68
3.5 水平混合參數(shù)化方案 70
3.5.1 Laplacian參數(shù)化方案 70
3.5.2 Biharmonic參數(shù)化方案 71
3.5.3 Smagorinsky參數(shù)化方案 71
3.6 其他參數(shù)化方案 72
3.6.1 對(duì)流參數(shù)化方案 72
3.6.2 浪致混合參數(shù)化方案 73
思考題 76
第4章 海流模式及其應(yīng)用 77
4.1 區(qū)域海流模式及其應(yīng)用 77
4.1.1 ROMS 77
4.1.2 FVCOM 89
4.1.3 POM 93
4.2 全球海流模式及其應(yīng)用 95
4.2.1 MITgcm 95
4.2.2 HYCOM 98
4.2.3 MOM及其數(shù)值產(chǎn)品：OFES 101
4.2.4 LICOM 103
4.2.5 NEMO 107
思考題 107
第5章 波浪模式及其應(yīng)用 108
5.1 SWAN模式 109
5.1.1 模式模擬的物理過(guò)程 109
5.1.2 模式的控制方程和源項(xiàng) 110
5.1.3 模式的數(shù)值求解方法 113
5.2 WaveWatch模式 114
5.2.1 模式物理過(guò)程 114
5.2.2 模式的控制方程和源項(xiàng) 114
5.2.3 模式的數(shù)值求解方法 115
5.3 LAGFD-WAM模式 116
5.3.1 球坐標(biāo)系下的海浪能譜平衡方程 116
5.3.2 球坐標(biāo)系下的特征線方程 117
5.4 混合型海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式 119
5.4.1 文氏風(fēng)浪譜 119
5.4.2 混合型海浪預(yù)報(bào)模式方程 120
5.5 模式的應(yīng)用 121
5.5.1 SWAN模式的應(yīng)用實(shí)例1 121
5.5.2 SWAN模式的應(yīng)用實(shí)例2 122
思考題 123
第6章 海氣耦合模式及其應(yīng)用 124
6.1 WRF模式簡(jiǎn)介 124
6.1.1 WRF模式基本方程 125
6.1.2 WRF模式基本結(jié)構(gòu) 128
6.2 COAWST模式簡(jiǎn)介 130
6.2.1 耦合器簡(jiǎn)介 130
6.2.2 COAWST耦合方案 131
6.3 COAWST模式應(yīng)用 132
思考題 135
第7章 大洋環(huán)流模式在氣候變化研究中的應(yīng)用 136
7.1 全球大洋在氣候變化中的作用 136
7.2 大洋環(huán)流模式簡(jiǎn)單回顧 140
7.3 ENSO的氣候意義及模擬 140
7.3.1 ENSO的來(lái)歷及其氣候意義 140
7.3.2 ENSO的模擬 142
7.4 大洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的氣候意義及模擬 145
7.4.1 大洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的氣候意義 145
7.4.2 大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的模擬 147
7.4.3 太平洋熱帶環(huán)流圈和副熱帶環(huán)流圈的模擬 149
思考題 151
第8章 其他常用海洋模式 152
8.1 大渦模擬 152
8.1.1 模式介紹 152
8.1.2 海洋中LES理論和方法 152
8.1.3 LES的應(yīng)用 154
8.2 海冰模式 156
8.2.1 CICE海冰模式 156
8.2.2 ROMS中的海冰模塊 159
8.2.3 模式應(yīng)用 160
8.3 海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型 162
8.3.1 NPZD模型控制方程 162
8.3.2 海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型個(gè)例 165
8.4 海洋沉積輸運(yùn)模式 166
8.4.1 沉積輸運(yùn)模式介紹 166
8.4.2 沉積輸運(yùn)模式控制方程 166
8.4.3 模式應(yīng)用 168
思考題 168
參考文獻(xiàn) 169
附錄 181
后記 187
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海洋數(shù)值模擬 節(jié)選
第1章 緒論 海洋學(xué)是一門(mén)十分年輕的科學(xué)，發(fā)展至今不足100年的時(shí)間。人類認(rèn)識(shí)海洋是從沿海地區(qū)和在海上從事生產(chǎn)活動(dòng)開(kāi)始的。1942年，由著名的海洋學(xué)家Sverdrup、Johnson和Fleming合著的The Oceans一書(shū)標(biāo)志著海洋學(xué)成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科。20世紀(jì)50～60年代以后，海洋學(xué)的研究取得了較大進(jìn)展并使海洋學(xué)成為一門(mén)綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，發(fā)展出許多學(xué)科分支，主要包括物理海洋學(xué)、海洋化學(xué)、海洋生物學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)等。 海洋學(xué)研究包括多種研究手段：理論分析、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、衛(wèi)星遙感觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等。理論分析主要是通過(guò)總結(jié)海洋相關(guān)現(xiàn)象的物理特征，結(jié)合已有的物理定律，構(gòu)建出宏觀的海洋物理模型或者理論模型。對(duì)海洋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是獲取海洋數(shù)據(jù)資料的重要手段，目前主要的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)手段包括：浮標(biāo)、走航觀測(cè)、高持久的漂流船和滑翔機(jī)及小型的水下自動(dòng)機(jī)器人等。衛(wèi)星遙感觀測(cè)利用衛(wèi)星測(cè)高儀、紅外傳感器、微波傳感器及海洋水色傳感器等對(duì)海洋物理場(chǎng)進(jìn)行大面積的持續(xù)觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)水槽或旋轉(zhuǎn)水池模擬海洋中的各種現(xiàn)象，并通過(guò)測(cè)量分析得出海洋現(xiàn)象的規(guī)律。數(shù)值模擬是利用計(jì)算機(jī)把流場(chǎng)分為許多小網(wǎng)格或者區(qū)域，構(gòu)建一維、二維或者三維的數(shù)值模型，利用數(shù)值計(jì)算方法如有限差分法（finite difference method，F(xiàn)DM）、有限體積法（finite volume method，F(xiàn)VM）等求解流體運(yùn)動(dòng)方程組，海洋數(shù)值模擬是目前研究海洋各種現(xiàn)象不可或缺的研究手段。相比其他的研究方法，海洋數(shù)值模擬研究發(fā)展相對(duì)較晚，**個(gè)綜合的海洋數(shù)值模型在20世紀(jì)60年代晚期才由Bryan（1969）構(gòu)建完成。近一二十年，隨著高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，海洋數(shù)值模擬研究得到了顯著發(fā)展，出現(xiàn)了一批開(kāi)源共享的數(shù)值模式系統(tǒng)，對(duì)海洋學(xué)的發(fā)展起了非常重要的作用。 掌握并在實(shí)際研究工作中熟練應(yīng)用海洋數(shù)值模擬技術(shù)，要求使用者在充分理解海洋數(shù)值模擬的基礎(chǔ)概念和模式中使用的參數(shù)化方案的基礎(chǔ)上，了解不同類型的海洋模式，如海流模式、波浪模式、海氣耦合模式、大洋環(huán)流模式及其他模式等，根據(jù)每個(gè)模式具體的要求特征，結(jié)合實(shí)際課題的需求，進(jìn)行針對(duì)性的應(yīng)用。 1.1 海洋數(shù)值模擬基礎(chǔ)概念和參數(shù)化方案 利用數(shù)值模擬方法實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋科學(xué)問(wèn)題的研究，需要建立能夠反映問(wèn)題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型（即反映問(wèn)題中各變量之間關(guān)系的微分方程及對(duì)應(yīng)的定解條件），這就需要掌握基本的海洋動(dòng)力學(xué)知識(shí)；建立起數(shù)學(xué)模型后，還需要了解對(duì)這些微分方程進(jìn)行離散和求解的方法，并尋求高準(zhǔn)確度和高效率的計(jì)算方法，這就需要掌握基本的計(jì)算流體力學(xué)知識(shí)。 海洋動(dòng)力學(xué)基于牛頓第二定律研究海水的運(yùn)動(dòng)。流體運(yùn)動(dòng)遵循動(dòng)量守恒、質(zhì)量守恒、鹽度守恒、能量守恒和角動(dòng)量守恒定律，海洋運(yùn)動(dòng)的控制方程建立在這些守恒定律的基礎(chǔ)上，包括三維動(dòng)量（納維-斯托克斯方程，Navier-Stokes equations，簡(jiǎn)稱N-S方程）（三個(gè)方程）、海水連續(xù)性方程、鹽度平流擴(kuò)散方程、溫度平流擴(kuò)散方程和海水狀態(tài)方程。該方程組理論上涵蓋了海浪、潮汐、風(fēng)生大洋環(huán)流和深層環(huán)流等物理海洋學(xué)中所有的海水運(yùn)動(dòng)過(guò)程。這七個(gè)方程包含了七個(gè)變量，并且構(gòu)成一個(gè)閉合的方程組，給定初始條件和邊界條件便可求解該方程組。在不同坐標(biāo)系下，如笛卡兒直角坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系和垂向坐標(biāo)σ坐標(biāo)系等，海水運(yùn)動(dòng)控制方程又呈現(xiàn)不同的形式，以適應(yīng)不同的研究情況。 海水運(yùn)動(dòng)控制方程由七個(gè)非線性方程（微分方程）組成，現(xiàn)有的數(shù)學(xué)和物理理論無(wú)法求出其解析解，只能依靠離散手段求出數(shù)值近似解。常用的數(shù)值模擬離散方法包括有限差分法、有限體積法和有限元法等。離散后的方程組（差分方程）還需要進(jìn)行相容性（差分方程是否逼近微分方程）、收斂性（步長(zhǎng)取多少，才能使差分方程的截?cái)嗾`差達(dá)到指定的精度要求）和穩(wěn)定性（差分方程的誤差是否隨時(shí)間的增長(zhǎng)被無(wú)限放大）的驗(yàn)證。Lax等價(jià)定理則揭示了差分方程相容性、穩(wěn)定性和收斂性三者之間的關(guān)系。 對(duì)于離散后的差分方程，可以通過(guò)二階偏微分方程的數(shù)值求解方法求出差分方程的數(shù)值解。根據(jù)二階偏微分方程的一般形式，二階偏微分方程可分為雙曲型、拋物型和橢圓型，給定邊界條件和初始條件就可通過(guò)迭代法、追趕法等手段求出數(shù)值解。 海洋數(shù)值模式的核心問(wèn)題之一是模式的參數(shù)化方案。現(xiàn)實(shí)中宏觀物理過(guò)程通常是連續(xù)發(fā)生的，根據(jù)現(xiàn)實(shí)所歸納出的方程也是連續(xù)的。而在數(shù)值模式中，為了使計(jì)算機(jī)能夠處理連續(xù)的方程，當(dāng)前采用的數(shù)值化方案都是建立在微積分的理論上，使用離散網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行的，旨在求解網(wǎng)格分辨的速度、溫度、鹽度等控制方程。然而，使用離散網(wǎng)格會(huì)使得一些物理過(guò)程無(wú)法被模式分辨，同時(shí)一些模式自身由于客觀條件的限制也無(wú)法將一些過(guò)程包含進(jìn)來(lái)，這些不能被分辨、識(shí)別的過(guò)程統(tǒng)稱為次網(wǎng)格過(guò)程。盡管這些次網(wǎng)格過(guò)程無(wú)法被識(shí)別，但是它們對(duì)模擬結(jié)果的影響依然不能被忽略。通過(guò)參數(shù)化的方式對(duì)這些過(guò)程進(jìn)行有效的表達(dá)是目前對(duì)次網(wǎng)格過(guò)程的主要處理方式。參數(shù)化方案本身并不是針對(duì)次網(wǎng)格尺度的過(guò)程而設(shè)計(jì)出來(lái)的，自然界中仍然存在著一些物理過(guò)程，如湍流運(yùn)動(dòng)，其機(jī)制尚未得到科學(xué)的解釋。參數(shù)化方案可以根據(jù)其特征進(jìn)行數(shù)學(xué)上的歸納表達(dá)，從而達(dá)到在未知物理機(jī)制的前提下較為準(zhǔn)確地使用函數(shù)代表這些物理過(guò)程的目的。 海洋數(shù)值模式在發(fā)展的過(guò)程中產(chǎn)生了多種次網(wǎng)格模式參數(shù)化方案。目前，海洋模式中常用的參數(shù)化方案主要包括：湍流參數(shù)化方案、中尺度過(guò)程參數(shù)化方案、次網(wǎng)格參數(shù)化方案、海氣界面交換參數(shù)化方案、底邊界層參數(shù)化方案等。在某些特定情況下，湍流參數(shù)化方案也會(huì)在次網(wǎng)格參數(shù)化方案中體現(xiàn)。 湍流參數(shù)化方案是針對(duì)海洋中的湍流過(guò)程所提出的參數(shù)化方案，在海洋數(shù)值模式中得到了廣泛的運(yùn)用。常見(jiàn)的湍流參數(shù)化方案有Prandtl混合長(zhǎng)湍流閉合方案、標(biāo)準(zhǔn)k-ε參數(shù)化方案、Mellor-Yamada參數(shù)化方案、混合型參數(shù)化方案及KPP（K-profile parameterization）參數(shù)化方案等。其中需要注意的是，使用者應(yīng)當(dāng)首先學(xué)習(xí)湍流的基本概念，如分子黏性與擴(kuò)散、雷諾應(yīng)力及湍流二階矩等，以便于理解湍流參數(shù)化方案的內(nèi)容。 中尺度過(guò)程參數(shù)化方案是針對(duì)次網(wǎng)格過(guò)程的，其中常見(jiàn)的方案有Redi 82（Redi，1982）方案及GM 90（Gent and McWilliams，1990）參數(shù)化方案。次網(wǎng)格過(guò)程是數(shù)值計(jì)算上的概念，與現(xiàn)實(shí)存在的湍流過(guò)程有著本質(zhì)區(qū)別，但是，湍流理論常常作為中尺度過(guò)程參數(shù)化的參照，有時(shí)這兩個(gè)概念容易發(fā)生混用。中尺度過(guò)程至關(guān)重要。觀察表明，中尺度過(guò)程是海洋多尺度運(yùn)動(dòng)過(guò)程中*活躍的部分，海洋中大部分的動(dòng)能都儲(chǔ)存在中尺度渦旋中。 隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，許多以前在氣候模式中不能分辨的次中尺度過(guò)程也逐漸成為海洋數(shù)值模擬的工作重心。相較于中尺度渦旋，次中尺度過(guò)程除了時(shí)空特征更小，它還是非地轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，能夠引起海水在水平方向上強(qiáng)烈的輻聚輻散，從而誘發(fā)海水的垂向運(yùn)動(dòng)。研究次中尺度過(guò)程對(duì)于進(jìn)一步研究海洋不同尺度運(yùn)動(dòng)的能量傳遞過(guò)程十分重要。它們可以由海洋中尺度渦旋、海洋鋒面或者強(qiáng)流的剪切產(chǎn)生，為海洋湍流尺度的耗散及跨等密度面的混合提供了能量級(jí)串的通道，是海洋能量級(jí)串中的重要組成部分。目前，次中尺度參數(shù)化方案的研發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)今物理海洋學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題之一。 海洋邊界往往存在海洋與周圍環(huán)境的能量交換過(guò)程，如海氣界面的熱輻射、海底邊界的摩擦拖曳。這些物理過(guò)程同樣需要參數(shù)化的處理。邊界過(guò)程參數(shù)化方案一般包括：海氣界面熱量輻射的兩種參數(shù)化方案、海氣界面動(dòng)量交換的兩種參數(shù)化方案、海氣界面飛沫過(guò)程的參數(shù)化方案及海底邊界應(yīng)力參數(shù)化方案。而海洋中的水平混合過(guò)程往往會(huì)受不同海域的不同海況影響，因此該類參數(shù)化方案具有尺度選擇性，如Laplacian方案、Biharmonic方案、Smagorinsky方案等。 此外，海洋中的對(duì)流不穩(wěn)定及浪致混合過(guò)程的參數(shù)化也同樣重要。海洋表面的對(duì)流不穩(wěn)定過(guò)程被認(rèn)為是大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流和深層海水形成的主要機(jī)制，浪致垂向混合是海洋波浪對(duì)海洋物理過(guò)程的主要影響方式之一。針對(duì)這些過(guò)程的參數(shù)化方案有對(duì)流調(diào)整參數(shù)化方案、熱液羽流參數(shù)化方案、海浪直接作用與間接作用的參數(shù)化方案。 1.2 常見(jiàn)的海洋數(shù)值模式 隨著海洋數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，海洋模式形成了許多不同的類型，如海流模式、波浪模式、海氣耦合模式、大洋環(huán)流模式及其他模式等。研究者根據(jù)每個(gè)模式具體的要求特征，結(jié)合實(shí)際課題的需求，選擇適合的海洋數(shù)值模式進(jìn)行針對(duì)性的應(yīng)用。目前，研究者較廣泛使用的、常見(jiàn)的海洋數(shù)值模式有以下5類。 1.2.1 海流模式 海流又稱為洋流，是海水因熱輻射、蒸發(fā)、降水、冷縮等而形成密度不同的水團(tuán)，再加上風(fēng)應(yīng)力、地轉(zhuǎn)偏向力、引潮力等作用的大規(guī)模相對(duì)穩(wěn)定的非周期性海水流動(dòng)，是海水的普遍運(yùn)動(dòng)形式之一。海流一般為三維結(jié)構(gòu)，通常將海流的水平運(yùn)動(dòng)分量狹義地稱為海流，而鉛直分量則單獨(dú)命名為升降流，且水平方向的流動(dòng)遠(yuǎn)強(qiáng)于鉛直方向的流動(dòng)。海域中的海流首尾相接可形成相對(duì)獨(dú)立的環(huán)流系統(tǒng)，其將整個(gè)世界大洋聯(lián)系起來(lái)，使大洋得以保持各水文、化學(xué)要素的長(zhǎng)期相對(duì)穩(wěn)定。海流的形成原因可歸納為兩種，一為海表面的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)，形成風(fēng)生海流；二為海水的溫鹽變化，形成熱鹽環(huán)流。根據(jù)海水受力情況和發(fā)生區(qū)域的不同，海流還可以分為地轉(zhuǎn)流、慣性流、陸架流、赤道流、東西邊界流等。為了獲得海洋流動(dòng)的時(shí)空變化規(guī)律，海洋學(xué)家以一定的初始條件和邊界條件將N-S方程（描述黏性不可壓縮流體動(dòng)量守恒的運(yùn)動(dòng)方程）進(jìn)行離散差分變?yōu)椴罘址匠蹋⒗糜?jì)算機(jī)數(shù)值求解差分方程組以獲得區(qū)域和海盆尺度的海洋三維環(huán)流結(jié)構(gòu)。 隨著實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的增加、數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)化及模式自身的快速發(fā)展，海洋數(shù)值模式如今已能較好地應(yīng)用于海洋各個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，如海洋鋒面、中尺度渦旋、黑潮等，并向精確預(yù)測(cè)方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)海流較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。經(jīng)過(guò)多年的探索和研究，海流模式發(fā)展出了多個(gè)通用開(kāi)源模式，按照模式研究區(qū)域可將其劃分為區(qū)域海流模式和全球海流模式，可用于模擬從中小尺度到大尺度的多種海洋流動(dòng)現(xiàn)象。目前比較常用的區(qū)域海流模式包括：ROMS（Regional Ocean Modeling System）、FVCOM（Finite-Volume Coastal Ocean Model）、POM（Princeton Ocean Model）。全球海流模式包括：MITgcm（Massachusetts Institute of Technology General Circulation Model）、HYCOM（the HYbrid Coordinate Ocean Model）、OFES（Ocean General Circulation Model for the Earth Simulator）、LICOM（LASG/IAP Climate System Ocean Model）等。學(xué)習(xí)區(qū)域海流模式，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)針對(duì)各模式發(fā)展歷程、基本概況、模式特點(diǎn)、模式原理、模式模擬流程及模式應(yīng)用等幾個(gè)方面進(jìn)行，詳細(xì)理解各模式所包含的模擬功能模塊、采用的坐標(biāo)系及方程組、嵌套和網(wǎng)格、輸入條件、模式結(jié)果處理等，并結(jié)合典型實(shí)例在不同海域的各模式中進(jìn)行應(yīng)用。 1.2.2 波浪模式 海洋波動(dòng)是海洋水體運(yùn)動(dòng)的主要形式之一，以多種形式存在，如風(fēng)生浪、海洋內(nèi)部密度躍層上的波動(dòng)（內(nèi)波）、物體（如海岸滑坡及海冰）濺入海水中引起的波浪（飛濺浪）、海嘯、潮汐等。波浪模式是主要針對(duì)海洋波浪進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)的模式。目前，國(guó)內(nèi)外研究波浪的數(shù)學(xué)模式主要基于三類方程：緩坡方程、Boussinesq方程和動(dòng)譜平衡方程。基于不同方程的模式在模擬和預(yù)報(bào)時(shí)對(duì)波浪的機(jī)理各有側(cè)重又各有特色。緩坡方程（橢圓型、拋物型和雙曲型）基于線性波浪理論研究波浪在近岸的傳播變形（折射和繞射），可以模擬波浪淺化、摩擦、折射、繞射等過(guò)程，但難于合理模擬風(fēng)能輸入、白帽和波-波非線性效應(yīng)，尤其在非線性作用劇烈的水域不適用；Boussinesq方程是一個(gè)含有孤
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