一种基于FGOALS-f3-L的LICOM海洋模式与MASNUM海浪模式双向耦合气候模拟方法

本发明涉及全球气候系统模式、海浪数值模拟及海气耦合气候模拟，提供了一种基于fgoals-f3-l的licom海洋模式与masnum海浪模式双向耦合气候模拟方法。

背景技术：

1、全球气候系统由大气、海洋、陆面、海冰及海浪等多圈层构成，各圈层之间通过动量、热量和水汽等物理量的交换形成复杂的相互作用机制。气候系统模式作为理解和预测气候变化的核心工具，需要尽可能完整地刻画上述多圈层耦合过程。目前，主流气候系统模式已普遍实现了大气、海洋、陆面与海冰四个圈层之间的耦合模拟，但在海浪过程的显式表征方面仍存在明显不足。

2、事实上，风浪的生成、传播与破碎不仅调制海表粗糙度与海气动量通量，还深刻影响上层海洋的湍流混合、海表温度及环流结构。现行气候系统模式对海浪过程仅进行简化甚至忽略处理，导致海浪对海气界面物理交换过程的影响无法得到充分反映。因此，将海浪模式引入气候系统，显式考虑海浪过程对上层海洋混合、海气动量交换及气候模拟性能的影响，是提升上层海洋与海表温度模拟能力的关键途径。

3、目前，最接近的现有技术为中国专利公开号cn119938130a所公开的"地球系统耦合装置的构建方法及地球系统耦合装置"。该发明在cesm1.0.4框架与licom3海洋模式仅使用海洋-海冰耦合的基础上，实现了大气-陆地-海洋-海冰的全耦合实验，为多圈层耦合气候模拟提供了一种实现方案。然而，该现有技术在核心技术手段上仍采用经验海气交换参数化方案，海浪信息通常作为离线诊断结果或外部耦合模块参与计算，海浪过程与海气交换过程相互独立，海浪对海气交换的影响有限，难以反映海浪对动量、热量和水汽交换的实际作用，海浪反馈机制不完整。

4、另一方面，中国科学院大气物理研究所自主发展的全球气候系统模式fgoals-f3-l已具备大气、陆面、海洋和海冰等分量模式的耦合能力。其中，大气模式可采用famil2.2，海洋模式可采用licom3.0，海冰模式可采用cice4.0，并通过耦合器cpl7.0实现各分量模式之间的变量交换。自然资源部第一海洋研究所自主研发的masnum海浪模式能够模拟海浪谱及相关海浪物理量，适合用于研究海浪对海洋和气候系统的反馈作用。然而，现有技术中仍缺乏一种在fgoals-f3-l全球气候系统模式框架下，将masnum海浪模式与licom海洋模式进行双向耦合，并进一步形成海—浪—陆—气—冰多圈层耦合气候模拟系统的方法。特别是，以下关键技术问题尚未得到解决：

5、第一：如何确定大气、海冰、海洋向海浪模式传递的关键变量，以及如何将海浪模式嵌入海洋模式内部并形成统一的状态变量体系，使海浪状态量能够作为正式耦合变量参与模式运行，而非仅作为离线诊断信息；

6、第二：如何利用耦合器实现海浪状态变量的标准化字段注册与变量交换，使海浪过程由原有模式中的边缘诊断量转变为能够参与组件编排、时钟推进、网格映射和耦合调度的正式分量；

7、第三：如何将海浪模式计算得到的波致混合系数、斯托克斯漂移、有效波高等海浪变量反馈至海洋模式和海气通量计算过程，实现海浪对海气动量通量、显热通量和潜热通量的显式调制；

8、第四：如何构建海洋飞沫热通量参数化方案，并引入海冰面积分数对海洋飞沫适用范围进行约束，以及建立大气边界层稳定度长度回传机制，形成海浪—海洋—大气之间的双向反馈闭环，提高海气界面过程的物理一致性和长期积分稳定性。

9、上述技术缺陷制约了气候系统模式对海浪过程的表征能力，影响了上层海洋与海表温度模拟的物理一致性与可靠性，亟需一种能够在气候系统模式中显式考虑海浪过程并实现海浪—海洋双向耦合的方法来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有气候系统模式缺失海浪过程显式表征及海气通量参数化缺乏海况依赖性引起的海浪-海洋-大气多圈层双向耦合反馈机制不完善进而导致气候模拟物理一致性降低的技术问题。

2、为了实现上述目的本发明采用以下技术手段：

3、本发明提供了一种基于fgoals-f3-l的licom海洋模式与masnum海浪模式双向耦合气候模拟方法，所述气候系统模式包括用于模拟海洋环流的海洋模式分量模块、用于模拟大气物理过程大气模式分量模块、用于模拟海冰动力学的海冰模式分量模块以及用于跨模块数据交换的耦合器，包括：

4、步骤1：将海浪模式分量模块作为内部子模块嵌入海洋模式分量模块，计算并输出包含斯托克斯漂移和有效波高的海浪状态变量，所述海浪状态变量包括斯托克斯漂移和有效波高，并将所述海浪状态变量作为海洋内部状态场进行持续维护；

5、步骤2：构建非破碎表面波引起的垂直混合参数化方法，基于所述海浪模式模块输出的波数谱、波数、角频率及深度信息，计算表征非破碎表面波对上层海洋垂直混合作用的波致混合系数；将所述波致混合系数引入所述海洋模式模块的原始垂直混合方案，对原始混合粘度和原始扩散系数进行修正，得到包含海浪影响的混合粘度和扩散系数，并用于所述海洋模式分量中的动量、热量和物质垂直输运方程中；

6、步骤3：通过所述耦合器建立跨模式字段映射，对所述海浪状态变量进行字段注册与数据传递，在耦合时间窗内对所述海浪状态变量执行时间积分与累积形成时窗平均值，将时窗平均后的海浪状态变量引入海气通量计算模块，利用所述斯托克斯漂移修正海气界面的相对风速，并利用所述有效波高计算海洋飞沫热通量，所述海洋飞沫热通量包括海洋飞沫显热通量和海洋飞沫潜热通量；

7、步骤4：获取所述海冰模式分量模块输出的海冰面积分数，利用所述海冰面积分数对所述海洋飞沫热通量进行空间调制，以限制所述海洋飞沫热通量仅在开放海面区域生效；

8、步骤5：将调制后的海洋飞沫热通量通过所述耦合器输入大气模式分量模块，获取所述大气模式分量模块计算得到的大气边界层稳定度参数，并通过所述耦合器将所述大气边界层稳定度参数，并通过耦合器反馈至所述海气通量计算模块，形成海浪-海洋-大气的双向耦合闭环。

9、上述方案中，所述步骤1包括：

10、步骤1.1：构建海浪状态变量定义层，定义海浪诊断变量及斯托克斯漂移分量变量，在初始化子程序中对数组进行统一分配和清零，在结束子程序中完成相应内存释放，使海浪状态在所述海洋模式分量模块主程序生命周期内作为海洋内部状态场被持续维护；

11、步骤1.2：构建海浪谱积分计算层，在物理求解与谱积分诊断模块中，按网格点依次调用非线性作用项、风输入项、耗散项、底摩擦项、流速作用项和隐式推进项，实现海浪谱在一个时间步内的演变；基于二维波谱对整个频率方向谱进行积分计算谱零阶矩，通过公式计算得到所述有效波高，其中为有效波高，为谱零阶矩；

12、引入破碎约束条件对波高进行压缩，当有效波高大于局地破碎上限时，按比例压缩谱能量并重设波高；通过公式分别乘以、后沿整个频率和方向空间累积得到所述斯托克斯漂移分量变量，其中为重力加速度，为波谱能量密度参数，为波数参数，为波向角；

13、步骤1.3：构建海浪子模块接口层，将海浪模式封装成所述海洋模式分量模块可直接调用的初始化、前向推进和变量提取标准接口，通过标准变量名接口将内部一维海浪状态场重新映射回所述海洋模式分量模块的二维或三维物理网格，使所述斯托克斯漂移分量变量成为所述海洋模式分量模块可按名称查询、按标准接口提取的正式海洋内部变量。

14、上述方案中，所述步骤2包括：

15、步骤2.1：获取所述海浪模式模块输出的波数谱、二维波数向量、波数、角频率及深度信息，基于非破碎表面波对上层海洋湍流混合的影响，构建波致垂直混合参数化方法；

16、步骤2.2：根据所述波数谱在波数空间中的分布特征，计算非破碎表面波引起的波致混合系数，计算公式为：

17、

18、其中，为经验常数，为波数谱，为二维波数向量，包含波传播的方向和波数大小信息，为波数，为深度，为角频率，表示自然指数函数；

19、步骤2.3：将所述波致混合系数引入所述海洋模式分量的原始垂直混合方案，对原始混合粘度和原始扩散系数进行修正，得到包含非破碎表面波影响的混合粘度和扩散系数，计算公式为：

20、

21、

22、其中，为原始混合粘度，为原始扩散系数。

23、步骤2.4：将修正后的混合粘度和扩散系数用于所述海洋模式分量中的动量、热量和物质垂直输运计算，使非破碎表面波引起的混合作用参与海洋模式积分过程，并与所述海浪状态变量随海洋模式分量积分同步更新。

24、上述方案中，所述步骤3包括：

25、步骤3.1：在耦合时间窗内对所述海浪状态变量执行时间积分与累积，并按耦合步长形成时窗平均值，以避免瞬时高频海浪扰动直接进入海气通量计算而引起数值振荡；

26、步骤3.2：在海气通量计算阶段，利用所述时窗平均后的斯托克斯漂移修正海气界面的相对风速，修正后的相对速度计算公式为：

27、其中，为修正后的相对速度，为大气风速，为海表流场，为所述斯托克斯漂移；基于所述修正后的相对速度计算海气界面的动量通量、感热通量和潜热通量，计算公式为：

28、

29、

30、其中，为大气密度，为动量交换系数，为大气定压比热容，为感热交换系数，为海气温差，为汽化潜热，为水汽交换系数，为海气比湿差；

31、步骤3.3：利用时窗平均后的有效波高计算海洋飞沫引起的附加显热通量和附加潜热通量，其中附加显热通量的计算公式为：

32、

33、其中，为海水密度，为海水比热容，为海表温度，为液滴平衡温度，为感热通量函数，为摩擦速度。

34、附加潜热通量的计算公式为：

35、

36、其中，为飞沫在空中停留时间内的蒸发半径，为参考液滴半径，为潜热通量函数；计算所述飞沫空中停留时间，计算公式为：

37、

38、其中，为代表波浪垂直尺度的有效波高，为水滴的下落速度；

39、获取海气界面的初始感热通量和初始潜热通量，基于所述附加显热通量和附加潜热通量对所述初始感热通量和初始潜热通量进行反馈修正，得到所述海洋飞沫显热通量和海洋飞沫潜热通量。

40、具体地，所述反馈修正采用线性叠加方式，修正后的总感热通量和总潜热通量的计算公式为：

41、

42、

43、其中，和分别为步骤3.2中基于修正后相对风速计算得到的所述初始感热通量和初始潜热通量，和分别为所述附加显热通量和附加潜热通量。

44、上述方案中，所述步骤4包括：

45、步骤4.1：从所述海冰模式分量模块输出属性向量中导出海冰面积分数，并将所述海冰面积分数显式传入海气通量计算模块，使其成为海洋飞沫参数化处理的必要输入；

46、步骤4.2：以作为开放海面比例，对所述海洋飞沫显热通量和所述海洋飞沫潜热通量进行空间调制，其中，为所述海冰面积分数；

47、步骤4.3：当所述海冰面积分数达到预设高值时，使调制后的海洋飞沫热通量反馈自动减弱或关闭，以限制所述海洋飞沫热通量仅在开放海面占优区域生效，从而将海洋飞沫参数化由仅受海洋状态驱动的单一表面过程，扩展为同时受海洋状态和海冰覆盖约束的复合表面过程参数化。

48、上述方案中，所述步骤5包括：

49、步骤5.1：将所述耦合器输出的调制后的海洋飞沫显热通量和海洋飞沫潜热通量读入所述大气模式分量模块的输入数据集，使经海浪修正后的海气热通量进入后续大气物理步长；

50、步骤5.2：将所述大气模式分量模块内部计算得到的大气边界层稳定度参数回写至耦合状态参数集，并反向反馈至所述耦合器及所述海气通量计算中的海洋飞沫参数化过程，形成海气界面热通量与边界层稳定度之间的双向耦合闭环；

51、步骤5.3：将所述大气边界层稳定度参数作为边界层物理过程参数引入所述大气模式分量模块的边界层湍流、垂直扩散、干沉降及气溶胶物理过程，并将所述海洋飞沫显热通量和海洋飞沫潜热通量注册为历史诊断输出数据集进行保存，以支持物理方案评估与误差追踪。

52、上述方案中，在将所述海浪模式作为内部子模块嵌入所述海洋模式分量模块之后，还包括构建多圈层耦合调度系统，具体包括：

53、通过所述耦合器构建顶层驱动模块，将海浪分量接口与所述大气模式分量模块、陆面模式分量模块、海洋模式分量模块、海冰模式分量模块并列纳入所述顶层驱动模块的统一调度中；

54、在所述顶层驱动模块中建立所述海浪分量专属的网格分解对象、面积订正对象、通信器对象、运行闹钟以及专用时钟，并配置所述海浪分量与其他模式分量模块之间的映射关系；

55、通过所述耦合器构建中间层字段管理模块，在所述中间层字段管理模块中注册有效波高、斯托克斯漂移以及海洋飞沫热通量相关的耦合字段，使新增的海浪物理量获得统一字段名、标准属性和耦合方向定义。

56、上述方案中，所述通过所述耦合器对所述海浪状态变量进行字段注册与数据传递，包括：

57、在海洋分量耦合索引模块中新增有效波高索引和斯托克斯漂移索引，并在索引初始化过程中完成与耦合器属性向量槽位的绑定；

58、在所述海洋模式分量模块中设置逻辑控制量，以判断是否启用波致混合系数、有效波高输出和斯托克斯漂移输出；

59、当所述逻辑控制量开启时，对波高和斯托克斯漂移在耦合时间窗内执行时间积分与累积，并按耦合步长形成时窗平均值，通过标准状态通道送入所述耦合器；当所述逻辑控制量关闭时，对应字段输出为零值或保持缺省状态。

60、上述方案中，所述利用所述有效波高计算海洋飞沫热通量，包括：

61、在共享物理库中调用海洋飞沫参数化子程序，根据波高、海表盐度、近地层温湿状态、海表温度、液滴平衡温度、液滴蒸发时间尺度和大气边界层稳定度长度计算附加显热通量与附加潜热通量；

62、在计算过程中，对无波条件、异常盐度以及液滴热平衡范围设置阈值保护和异常约束；

63、若输入参数超出物理允许范围，则执行保护性截断、置零或停止处理，以提高参数化方案的数值健壮性和长期运行稳定性。

64、上述方案中，所述获取所述大气模式计算得到的大气边界层稳定度参数，包括：

65、将所述大气边界层稳定度参数作为边界层物理过程参数引入所述大气模式分量模块的边界层湍流、垂直扩散、干沉降及气溶胶物理过程；

66、在垂直扩散模块中，根据感热通量、水汽通量、大气密度和摩擦速度求解莫宁-奥布霍夫长度，作为所述大气边界层稳定度参数；

67、在大气诊断模块中，将所述海洋飞沫显热通量和海洋飞沫潜热通量注册为历史诊断输出数据集进行保存，以支持物理方案评估与误差追踪。

68、因为本发明采用上述技术手段，因此具备以下有益效果：

69、1. 本发明通过步骤1将海浪模式分量作为内部子模块嵌入海洋模式分量，构建海浪状态变量及波致混合参数的定义层、谱积分计算层和子模块接口层，并结合多圈层耦合调度系统中的顶层驱动模块和中间层字段管理模块，解决了现有技术中海浪过程难以进入气候系统主计算链、海浪信息多作为离线诊断结果或外部松耦合输入、无法作为内部状态量参与模式运行和组件调度的技术问题，达到了使波致混合系数、斯托克斯漂移和有效波高等海浪相关变量在气候系统主计算链中显式计算、传递和更新的效果。

70、在现有技术中，海浪信息通常以离线诊断量或外部输入量形式参与计算，难以对气候系统的主演化过程产生实时反馈。本发明在步骤1.1中构建海浪状态变量定义层中，对波致混合系数、斯托克斯漂移、有效波高等变量进行统一分配、初始化和释放，使其在海洋模式模块主程序生命周期内作为海洋内部状态场或参数场随模式积分更新；在步骤1.2中构建谱积分计算层，将masnum波谱主计算完整嵌入到licom内部时间推进框架中，使海洋模式能够在每个时间步上自主求解并刷新海浪变量；在步骤1.3中构建接口层，将内部海浪状态场和波致混合参数映射至海洋模式物理网格，使相关变量能够通过标准接口被调用、传递并参与垂直混合和海气通量计算。在此基础上，通过顶层驱动模块和字段管理模块实现海浪相关变量从底层内存管理、时间步进到耦合接口传递的全链路集成。由此，海浪过程由外部诊断信息转变为气候系统模式内部可演化、可调度、可耦合的物理过程，提高了海浪—海洋—大气相互作用表征的完整性。

71、2. 本发明通过步骤2构建非破碎表面波引起的垂直混合参数化方法，基于海浪模式输出的波数谱、波数、角频率及深度信息计算波致混合系数，并将所述波致混合系数引入海洋模式模块的原始垂直混合方案，对混合粘度 和扩散系数 进行修正，解决了传统海洋模式垂直混合方案未充分考虑非破碎表面波对上层海洋湍流混合增强作用，导致混合层深度、上层温度结构及海洋热力状态模拟存在偏差的技术问题，达到了更准确刻画上层海洋湍流混合强度、改善上层海洋热力学结构模拟精度的效果。

72、海浪不仅调制海表粗糙度和海气通量，也会通过波轨道运动及其垂向衰减改变上层海洋的剪切结构和湍流混合强度。传统海洋垂直混合方案通常主要依赖局地风应力、层结稳定度或经验湍流闭合，难以显式体现不同海况下非破碎表面波对混合过程的贡献。本发明在步骤2中，依据波数谱表征的波浪能量分布、波数和角频率所反映的波动特征，以及波浪轨道运动随深度衰减的物理规律，计算表征非破碎表面波混合作用的波致混合系数。其中，波数谱表征波浪能量在波数空间中的分布，自然指数衰减项反映波浪轨道运动随深度衰减对上层海洋剪切和湍流混合的影响。随后，将所述波致混合系数作为附加混合项叠加至海洋模式原始垂直混合方案中，对原始混合粘度 和扩散系数进行显式修正。该技术手段使海洋模式能够根据波谱能量分布及其垂向衰减特征动态调整上层海洋混合强度，从而将海浪的机械搅拌作用由经验化或隐含处理提升为基于波谱物理量的显式参数化，有利于改善混合层深度、海表温度、上层海洋热含量及海气界面热力边界条件的模拟。

73、3. 本发明通过步骤3在耦合时间窗内对海浪状态变量进行时间积分和累积形成时窗平均值，并利用时窗平均后的斯托克斯漂移修正海气界面相对风速，利用时窗平均后的有效波高计算海洋飞沫引起的附加显热通量和附加潜热通量，对初始海气热通量进行反馈修正，解决了现行气候系统模式中海浪过程与海气交换过程相互独立、海浪对动量通量、显热通量和潜热通量缺乏显式调制，导致海气界面物理交换过程表征不足的技术问题，达到了实现海浪状态对海气交换过程的显式调制、提高海气界面物理过程表征能力的效果。

74、传统海气通量计算通常主要依赖近地层风速、海表流场以及海气温湿差，难以反映海浪诱导的表层漂移和海洋飞沫对界面交换过程的影响。本发明在步骤3.2中，打破了传统相对风速的计算范式，将斯托克斯漂移分量直接引入相对风定义（依据原文修正后的相对速度公式 ），使得海浪诱导的表层水质点平均运动直接改变了驱动海气通量的空气动力学相对风速，进而影响摩擦速度及动量交换系数；在步骤3.3中，利用有效波高计算飞沫在空中停留时间及蒸发半径，进而量化海洋飞沫引起的附加显热通量和附加潜热通量，并将其叠加至初始通量中进行反馈修正。物理上，相对风速决定湍流交换效率，而飞沫增加了海气接触面积从而增强热力学交换。通过上述手段，海浪状态变量不再仅作为诊断输出，而是直接进入海气界面核心通量计算过程，弥补了传统海气交换参数化缺乏海况依赖性的不足，提高了气候系统模式对强风浪条件下海气交换过程的模拟能力。

75、4. 本发明通过将步骤3（获取海冰面积分数对海洋飞沫热通量进行空间调制，限制其仅在开放海面区域生效）与步骤4（将调制后的海洋飞沫热通量输入大气模式，获取大气边界层稳定度参数并反向反馈至海气通量计算，形成双向耦合闭环）的技术手段进行组合，产生了受“下垫面物理属性（海冰覆盖）”与“上层大气热力状态（边界层稳定度）”双重动态约束的自适应复合表面过程参数化的协同效果，解决了单一维度的飞沫参数化与大气边界层物理过程相互干扰导致气候模式长期积分失稳或物理机制失真的问题。

76、该组合并非各技术手段原有作用的简单叠加，而是形成了由海洋内部混合、海气界面交换、海冰空间约束和大气稳定度反馈共同构成的协同机制。若仅采用步骤2中的波致混合系数修正上层海洋垂直混合，而缺少步骤3中斯托克斯漂移和有效波高对海气通量的修正，则海浪对混合层深度、海表温度和上层海洋热含量的影响难以与海气界面的动量、热量和水汽交换过程形成闭合反馈，容易造成海洋内部混合状态已发生改变，而界面通量仍按传统相对风速和经验参数化方案计算的不一致。反之，若仅采用步骤3修正海气通量而缺少步骤2中波致混合系数对上层海洋混合的调制，则界面通量变化难以通过合理的垂直混合过程分配至上层海洋混合层和次表层结构中，可能导致海表温度对通量扰动的响应偏强或偏弱，从而影响长期气候积分中的热力平衡。

77、进一步地，若仅采用步骤5将海洋飞沫热通量输入大气模式并建立边界层稳定度反馈，而缺少步骤4中海冰面积分数对飞沫热通量的空间调制，则在海冰覆盖区或部分海冰覆盖区，模式可能将本应受到抑制的飞沫热通量错误地输入大气模式，导致边界层稳定度参数受到非物理通量影响，并通过反馈机制进一步影响后续海气通量计算，形成“非物理通量—稳定度偏差—通量再偏差”的误差放大链条。反之，若仅采用步骤4对飞沫热通量进行空间限制，而缺少步骤5中大气边界层稳定度参数的回传，则虽然能够抑制冰区非物理飞沫通量，但开放海面及冰缘区的飞沫蒸发、湍流交换和热通量修正仍主要依赖预设或滞后的大气稳定度信息，难以及时响应强热力交换导致的边界层层结变化。