讲稿第七章气候的数值模拟摘要.ppt

第七章 气候的数值模拟（研究生为主） §7.1 气候模式简介 主要内容 模式分类 气候及其演变的研究方法：统计学和动力学。 动力学：气候模式 气候模式发展：1920s Richardson第一次试验失败；1940s电子计算机产生，Charney开始用简化的动力学方程组模拟大气环流；1956年Phillips用准地转模式模拟大气环流成功；60年代中期出现原始方程模式；此后气候模式迅速发展，逐步复杂，成为较完整的“气候”模式。 模式分类 气候模式都是基于气候系统的一部分热力学和动力学方程，再加上适当的边界条件和初始条件组成的。 根据模式的简繁程度，气候模式大体可分为：能量平衡模式（EBM)，这类模式一般只考虑地－气系统局域热量平衡过程，属于诊断模式和机制模式； 统计－动力模式（随机－动力模式）（SDM），这类模式主要考虑简单的热力和动力过程以及某种空间平均，属于预报模式和机制模式； 大气环流模式（AGCM、OGCM、CGCM、CSM），比较完整的考虑气候系统的各组成子系统，属于预报模式和模拟模式。 模式分类 EBM和SDM现在应用相对较少，GCM应用越来越广泛。 现在的GCM一般包含： 大气圈（动力学过程，辐射过程、云水（大尺度降水和对流降水）过程等）； 水圈（完整或简化海洋模式，陆地水分平衡过程（蒸发、下渗、径流等））； 冰雪圈（海冰模式和积雪模式）； 岩石圈（土壤水份循环、热量平衡、反照率等）； 生物圈（水份循环、感热、碳循环、粗糙度（摩擦）） CSM＝AGCM＋OGCM＋LSM 大气环流模式 气候数值模拟是研究气候、气候变化以及进行气候预报的主要方法之一。 其原理是根据牛顿运动定律、能量守恒定律和质量守恒定律等基本物理定律，来确定“气候系统”的各个部分，如大气、海洋、冰雪、植被等的状况。 与天气模式的区别在于更加强调物理过程的详尽（初值和外源强迫的作用）。 大气环流模式 大气环流模式 垂直分层 水平离散化 (有限差分法和谱方法) 模式包含的主要物理过程 基本的辐射计算方案 按波段划分：太阳辐射、长波辐射 按路径划分：均匀路径、非均匀路径 按介质的光学性质：吸收、散射、吸收+散射 按习惯划分（单色辐射散射解法）： 精确解析方法：奇异本征函数方法；伟纳-豪朴伏方法；传输矩阵方法；-函数或X-和Y-函数方法 数值计算方法：蒙特卡罗方法；球谐函数（或近似）法；离散坐标法；共轭法；FN方法；高斯-塞德尔叠代方法；逐级散射方法；有限差分法；矩阵算子法（或离散空间理论）；倍加或累加法；不变性原理；不变嵌入方法；DART方法 近似方法：爱丁通（δ-爱丁通）近似；二（双）流近似；指数核近似；微扰法；小角近似法 云计算过程 积云对流算法 一是所谓的湿对流调整（MCA） 二是郭氏参数化方案 三是Arakawa和Schubert参数化方案 云的模拟 1998湖北特大暴雨数值模拟中尺度对流系统云系结构和生命史（MM5） 海洋模式 洋流分布 海洋盐度 温盐环流 温盐环流 ENSO 1997-1998年厄尔尼诺事件 海洋地形 海洋模式 海洋环流模拟始于20世纪50年代，成熟于来70后。 主要分两类，一类模式的主要特点是仿效数值天气预报中的整层无辐散模式，在海洋表面人为地加了一个“刚盖”，从而滤掉表面波动，模式不能模拟海面的起伏。 另一类模式把海洋表面作为自由面，海面高度是模式的一个预报量。 海洋模式 OGCM的主要预报量为温度、水平流速和盐度。诊断量为密度、压力和垂直速度。 海洋中的热量、动量及盐度的垂直和水平湍流输送等次网格尺度过程，采用参数化的技术来处理。 求解OGCM的数值方法与AGCM的方法类似。不过由于海洋的几何边界及不规则，经典的谱方法不适合，一般用有限差分法求解。 此外海洋所包含的运动频率范围远比大气宽，因此常规的时间积分方法往往不适用，需要一些特殊的加速收敛技术。 POM海洋模式 POM即普林斯顿海洋模型， 是一个垂向采用σ坐标的三维斜压陆架浅海模式 ,基于原始方程组之上的海洋模型，包含一个二阶湍闭合子模式，能给出随流速变化的湍流涡动系数。 可被应用于河口、沿岸区域和开阔大洋。 POM有别于其它海洋模式的主要特点是：垂直方向采用σ坐标，因而可以方便地引入大陆架底形；在垂直方向 ,湍流能量方程、垂直扩散交换系数和垂直速度ω与温度、盐度和海流场交错设置。 在水平方向 ,POM采用 Arakawa C型交错网格系统。水平坐标系统可任选 ,既可为曲线正交坐标 ,也可为经纬度坐标。 在海面无刚盖近似，因而海面的自由高度可用模式预报。 POM在南海的模拟 陆气相互作用及陆面过程模式 陆面是气候系统的重要组成部分，对气候变化有着重要的影响。 对能量平衡的影响。 对水分平衡的影响。 对物质平衡的影响。 土壤温度的作用 土壤温度异常持续1个月