一种南海潮汐-环流三维耦合模型的构建方法与流程

1.本发明涉及南海潮汐环流数值模拟技术领域，具体是涉及一种南海潮汐-环流三维耦合模型的构建方法。


背景技术：

2.潮汐力是指当引力源对物体产生力的作用时，由于物体上各点到引力源距离不等所以受到引力大小不同从而产生引力差，对物体产生撕扯效果，这种引力差就是潮汐力。而潮汐力对物质陆架环流运输有一定影响，鉴于我国具有十分广阔的海岸线以及对潮汐力中各种复杂作用机理的认识不足，需要对潮汐力与环流之间的相互关系进行深入研究。
3.近年来，海洋环境受到破坏，海岸线附近营养物质负荷加重，逐渐影响海洋生物以及人们的正常生产活动，需要加强对潮汐动力以及海洋环流的研究以加深对近海岸物质循环的研究。三维水动力模型是广泛应用于世界大洋和区域的海洋数值模拟模型，基于三维水动力模型搭建三维潮汐-环流耦合模型能够进一步探究南海海洋环流的时空分布规律，探讨物理过程对海洋生态动力过程的影响机制。


技术实现要素：

4.针对上述存在的问题，本发明提供了一种南海潮汐-环流三维耦合模型的构建方法。
5.本发明的技术方案是：
6.一种南海潮汐-环流三维耦合模型的构建方法，包括以下步骤：
7.s1网格构建及水深导入：基于princeton ocean model模型，建立正交曲线网格，沿陆架方向网格大体与岸线平行，穿越陆架方向的网格与等深线垂直，垂向采用对数分布的sigma坐标，将水深资料通过样条插值的方法插值到南海模型的计算网格上；
8.s2初始条件设定：初始水位和流速均取为0，初始温度和盐度由气候态的冬季平均数值插值到模型的计算网格上；
9.s3侧向开边界条件设置：
10.s3-1水位边界条件：水位采用无梯度边界条件，模型在计算过程中边界处的水位值内区赋值公式为：
[0011][0012]
其中，为开边界处的水位值，为与边界相邻的内区的水位值，－代表东边界和北边界， 代表西边界和南边界；
[0013]
s3-2二维流速边界：
[0014][0015]
其中，η
ext
为外部提供的开边界处的水位，为外部提供的开边界处的二维流
速，g为重力加速度，h为水深；
[0016]
s3-3三维流速边界：
[0017]
φ
t
cφn＝0
[0018]
其中：为开边界处的法向三维流速，c为扰动传播速度，t代表时间，n代表开边界的法线方向，下标代表偏微分，当不考虑外部强迫时，扰动传播速度c可表示为：
[0019][0020]
此时，三维流速开边界可表示为：
[0021][0022]
s3-4温度盐度边界：温度盐度边界由soda资料提供；
[0023]
s4海面边界条件设置：
[0024]
s4-1海面动量边界条件：件通过采用不同的风场产品来测试南海环流模型对不同风场资料的响应；
[0025]
s4-2海面热通量边界条件：海面热通量边界条件考虑海面净热通量，包括太阳短波辐射、太阳长波辐射、感热和潜热通量，及太阳短波辐射在水层内的入射过程，再加一个松弛型的边界条件，具体公式为：
[0026][0027]
其中，t为模型计算的温度值，t
obs
为海面温度观测值，c为松弛系数，取0.7m/day，z为垂向坐标，q
net
为海面吸收的净热通量，包括部分太阳短波辐射、全部的长波辐射、感热和潜热通量，sw(z)为射入水层的太阳短波辐射通量，ρ为海水密度，c
p
为海水比热容；
[0028]
s4-3海面盐度边界条件：海面盐度边界条件采用松弛型边界条件，具体公式为：
[0029][0030]
其中：s为模型计算的海面盐度值，s
obs
为实际观测的海面盐度。
[0031]
进一步地，所述步骤s1中水平方向网格数为400
×
160，计算网格分辨率为2.5-3km，的网格分辨率相对较高。
[0032]
进一步地，所述步骤s1中垂向共分31个sigma层，在近表层和底层具有较高的分辨率，以较好的模拟海洋的边界层过程。
[0033]
进一步地，所述步骤s1中水深采用etopo2v2资料，经三次样条插值的方法插值到模型计算网格上。
[0034]
进一步地，所述步骤s2中温度和盐度资料采用world ocean atlas 2001资料，要尽可能真实地反映边界处变量的动态交换过程，由全球模型为区域性模型提供开边界条件。
[0035]
进一步地，所述步骤s3-3中系数μ由扰动传播速度的大小决定：
[0036][0037]
当c
l
≤0时，开边界处的流速由前一时间步长模型计算的开边界处的值给定，当0＜c
l
＜1时，开边界流速由模型计算值和扰动传播速度共同决定，当c
l
≥1时，开边界流速由当前时间步长模型计算的紧邻开边界的内区流速决定，提高模型的收敛效率。
[0038]
进一步地，所述步骤s4-1中风场模型包括hr风场、era-interim风场、ncep风场和qscat/ncep混合风场，件通过采用不同的风场产品来测试南海环流模型对不同风场资料的响应。
[0039]
进一步地，所述步骤s4-2中太阳短波辐射通量的确定方法为：
[0040]
s4-2-1：构建大气辐射传输模型，并与太阳短波辐射信息表进行对照；
[0041]
s4-2-2：通过avhrr卫星雷达信息，获取不同区间的大气参数；
[0042]
s4-2-3：通过在太阳短波辐射信息表中查找所述大气参数，确定所述不同区间的太阳短波辐射通量。
[0043]
更进一步地，所述步骤s4-2-2中大气参数包括太阳天顶角范围、气溶胶光学厚度、气溶胶类型、水汽含量、水云粒子有效半径以及水云光学厚度，其中，太阳天顶角范围为0-90
°
，间隔5
°
，气溶胶光学厚度为0-3，气溶胶类型为海洋型，水汽含量为0-8g/cm2，间隔0.5，水云粒子有效半径分别为4μm、8μm、16μm、32μm或64μm，水云光学厚度范围为1、5、10、20、30、50、100、150，间隔1。利用了卫星气溶胶和云光学资料，采用神经网络的方法，能够快速有效地计算出晴空和有云条件下的海洋太阳短波辐射结果。
[0044]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0045]
(1)本发明的三维潮汐-环流耦合模型构建方法对耦合模型的初始条件、开边界条件和海面边界条件进行限定，得到一个高分辨率的三维潮汐-环流耦合模型，能够一定程度上反映出南海温度和盐度的水平和垂向分布规律，可再现南海海盆区域的三维水动力和的分布趋势，并且可以进一步应用于对南海生态动力过程的影响机理的研究。
[0046]
(2)本发明的南海三维潮汐-环流耦合模型构建方法对太阳短波辐射通量的测定进行了优化，利用了卫星气溶胶和云光学资料，采用神经网络的方法，能够快速有效地计算出晴空和有云条件下的海洋太阳短波辐射结果。
附图说明
[0047]
图1是本发明实验例中表层风应力季节分布图；
[0048]
图2是本发明实验例中海表层冬季四种风场资料的风应力旋度分布图；
[0049]
图3是本发明实验例中海表层夏季四种风场资料的风应力旋度分布图；
[0050]
图4是本发明实验例中模型计算的海面高度与tp卫星高度计观测资料的taylor关系图，其中a为冬季b为夏季。
具体实施方式
[0051]
实施例1
[0052]
一种南海潮汐-环流三维耦合模型的构建方法，包括以下步骤：
[0053]
s1网格构建及水深导入：基于princeton ocean model模型，建立正交曲线网格，沿陆架方向网格大体与岸线平行，穿越陆架方向的网格与等深线垂直，水平方向网格数为400
×
160，计算网格分辨率为2.5-3km，垂向采用对数分布的sigma坐标，垂向共分31个sigma层，将水深资料通过样条插值的方法插值到南海模型的计算网格上，水深采用etopo2v2资料，经三次样条插值的方法插值到模型计算网格上；
[0054]
s2初始条件设定：初始水位和流速均取为0，初始温度和盐度由气候态的冬季平均数值插值到模型的计算网格上，温度和盐度资料采用world ocean atlas 2001资料；
[0055]
s3侧向开边界条件设置：
[0056]
s3-1水位边界条件：水位采用无梯度边界条件，模型在计算过程中边界处的水位值内区赋值公式为：
[0057][0058]
其中，为开边界处的水位值，为与边界相邻的内区的水位值，－代表东边界和北边界， 代表西边界和南边界；
[0059]
s3-2二维流速边界：
[0060][0061]
其中，η
ext
为外部提供的开边界处的水位，为外部提供的开边界处的二维流速，g为重力加速度，h为水深；
[0062]
s3-3三维流速边界：
[0063]
φ
t
cφn＝0
[0064]
其中：为开边界处的法向三维流速，c为扰动传播速度，t代表时间，n代表开边界的法线方向，下标代表偏微分，当不考虑外部强迫时，扰动传播速度c可表示为：
[0065][0066]
此时，三维流速开边界可表示为：
[0067][0068]
系数μ由扰动传播速度的大小决定：
[0069][0070]
当c
l
≤0时，开边界处的流速由前一时间步长模型计算的开边界处的值给定，当0＜c
l
＜1时，开边界流速由模型计算值和扰动传播速度共同决定，当c
l
≥1时，开边界流速由当前时间步长模型计算的紧邻开边界的内区流速决定；
[0071]
s3-4温度盐度边界：温度盐度边界由soda资料提供；
[0072]
s4海面边界条件设置：
[0073]
s4-1海面动量边界条件：件通过采用不同的风场产品来测试南海环流模型对不同
风场资料的响应，风场模型为hr风场；
[0074]
s4-2海面热通量边界条件：海面热通量边界条件考虑海面净热通量，包括太阳短波辐射、太阳长波辐射、感热和潜热通量，及太阳短波辐射在水层内的入射过程，再加一个松弛型的边界条件，具体公式为：
[0075][0076]
其中，t为模型计算的温度值，t
obs
为海面温度观测值，c为松弛系数，取0.7m/day，z为垂向坐标，q
net
为海面吸收的净热通量，包括部分太阳短波辐射、全部的长波辐射、感热和潜热通量，sw(z)为射入水层的太阳短波辐射通量，ρ为海水密度，c
p
为海水比热容；
[0077]
s4-3海面盐度边界条件：海面盐度边界条件采用松弛型边界条件，具体公式为：
[0078][0079]
其中：s为模型计算的海面盐度值，s
obs
为实际观测的海面盐度。
[0080]
实施例2
[0081]
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于，海面动量边界条件设置不同。
[0082]
s4-1海面动量边界条件：件通过采用不同的风场产品来测试南海环流模型对不同风场资料的响应，风场模型为era-interim风场。
[0083]
实施例3
[0084]
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于，海面动量边界条件设置不同。
[0085]
s4-1海面动量边界条件：件通过采用不同的风场产品来测试南海环流模型对不同风场资料的响应，风场模型为ncep风场。
[0086]
实施例4
[0087]
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于，海面动量边界条件设置不同。
[0088]
s4-1海面动量边界条件：件通过采用不同的风场产品来测试南海环流模型对不同风场资料的响应，风场模型为qscat/ncep混合风场。
[0089]
实施例5
[0090]
本实施例在实施例1的基础上对步骤s4-2中太阳短波辐射通量的确定方法进行了进一步限定。
[0091]
步骤s4-2中太阳短波辐射通量的确定方法为：
[0092]
s4-2-1：构建大气辐射传输模型，并与太阳短波辐射信息表进行对照；
[0093]
s4-2-2：通过avhrr卫星雷达信息，获取不同区间的大气参数，大气参数包括太阳天顶角范围、气溶胶光学厚度、气溶胶类型、水汽含量、水云粒子有效半径以及水云光学厚度，其中，太阳天顶角范围为0-90
°
，间隔5
°
，气溶胶光学厚度为0-3，气溶胶类型为海洋型，水汽含量为0-8g/cm2，间隔0.5，水云粒子有效半径分别为4μm、8μm、16μm、32μm或64μm，水云光学厚度范围为1、5、10、20、30、50、100、150，间隔1；
[0094]
s4-2-3：通过在太阳短波辐射信息表中查找所述大气参数，确定所述不同区间的太阳短波辐射通量。
[0095]
实验例
[0096]
将实施例1-4中不同风场下的潮汐-环流三维耦合模型模型应用于南海北部某区块中进行测试，测试南海环流模型计算结果对不同风场资料的响应，得到最优风场，测试结果如下：
[0097]
各个算例均从静止状态开始计算，潮汐-环流三维耦合模型首先采用一月平均的强迫场计算3年，经过3年spin-up之后，模型采用月平均强迫场再计算3年，最后一年的结果用于风场资料的敏感性对比分析。
[0098]
如图1、2所示，从风应力的季节分布来看，四种风场资料差别不大，均能反映出南海季风的季节演变过程：冬季主要受东北季风控制，风力较为强；夏季则转为受西南季风控制，风力较弱；春季和秋季为季风转换季节，风向和风速均不太稳定；冬季，南海盛行东北季风，受海盆形状和周边陆地形的影响，南海西北部主要为负的风应力旋度控制，而东南部则为正的风应力旋度控制，正负风应力旋度大体以南海菱形海盆主轴为界。
[0099]
如图3所示，夏季南海季风发生反转，相应的风应力旋度分布也表现出与冬季相反的分布趋势，正负风应力旋度仍然以南海菱形海盆主轴为界，南海东北部为正的风应力旋度控制，而西南部则为负的风应力旋度控制。
[0100]
四种风场产品的风应力旋度均能表现出上述的季节演变趋势，但是因四种风场产品因来源不同、分辨率不一，其风应力旋度场具有较大的差异。冬季南海西北部正的风应力旋度中心一般位于吕宋岛西北沿岸附近海域，在hr风场、qscat/ncep混合风场和era-interim风场中均有显示，而ncep风场中该正的风应力旋度中心位于南海北部海盆中部。此外由于era-interm风场和qscat/ncep风场分辨率较高，受吕宋岛陆地地形的影响，正负风应力旋度间隔出现。如图3所示，夏季四种风场产品的风应力旋度场的分布差别较小，在越南西南部沿岸正负的风应力旋度呈“偶极子”分布，但不同风场产品风应力旋度的量级稍有差别。
[0101]
如图4a所示，采用qscat/ncep风场和era-interim风场强迫的实施例4和2算例的均方根误差较小，分别为0.53和0.54，实施例3采用ncep风场强迫的算例均方根误差最大(0.72)。相关系数也具有同样的分布规律：实施例2和4算例计算的海面高度与tp资料相关性最好，相关系数在0.85左右；而实施例3的计算值与tp观测结果的相关性最差。对于标准差分布，实施例1采用hr风场强迫算例的标准差与1最接近，其次为实施例2和4。因此，冬季南海模型采用qscat/ncep混合风场和era-interim风场强迫时计算效果较好，而仅采用ncep风场强迫计算的效果最差。
[0102]
如图4b所示，实施例4的均方根误差约为0.64，在四个算例中最小。同时，实施例4计算结果与tp资料的相关系数最高，达0.81。但是，实施例4计算结果相对于tp观测资料的的标准差不如实施例1采用的hr风场强迫。与冬季算例一样，四个算例中计算效果最差的仍然是采用ncep风场强迫的实施例3。总体来讲，南海环流模型采用实施例4的qscat/ncep混合风场的计算效果相对较好。
[0103]
综上所述，南海潮汐-环流耦合模型采用qscat/ncep混合风场强迫时能较好的再现南海环流动力过程，模型计算的结果与卫星高度计资料最接近。