万方数据常用海洋数值模式简介郑沛楠’’2，宋军’，张芳苒2，鲍献文。引言1算机计算能力的提高，人们开始了海洋数值预报的研究和试验。首先是海浪的数值预报研究，20世纪70年代初期即开始进行数值计算试验。接着是潮汐的数值预报方法研究及数值模拟试验，20世纪80年代中期二维潮汐数值模拟技术渐进成熟。三维海洋温、2POM‘21第25卷第4期海洋预报MARrNE海洋，自古以来就和人们的生活息息相关，因此，研究和掌握海洋运动的规律是十分重要的。正是在这种背景下，地球流体力学得到了迅速的发展。地球流体力学是一门新兴的交叉学科，主要研究地球自然界中一切流体宏观运动的普遍规律。描述海洋运动的地球流体力学方程都是一些偏微分发展方程，除极个别的情况，很难求得其解析解。但海浪数值模拟、潮汐数值模拟和海流数值模拟等实际问题需要数值求解这些偏微分发展方程，同时高速、大容量计算机的出现为各种复杂问题的大规模计算提供了可能性，于是计算地球流体力学作为又一I’J新兴学科应运而生⋯。20世纪60年代，随着电子计盐、流数值模拟方法研究，20世纪70年代开始，到20世纪90年代开始进行试验性的海洋数值预报(包括温、盐、流和水位等)。随着读入数值模式的实测数据种类的增多和质量的优化以及模式自身的发展，数值模式如今已能较好的应用于海洋领域的基础研究，并向精确预测方向发展。POM(PrincetonOceanModel)由美国普林斯顿(Princeton)大学Blumberg和Mcllor于8年I1月(1．中国海洋大学物理海洋实验事，山东青岛266100：2总参谋部气象水文中心，北京100081)摘要：OGCM(OceanModel普通海洋环流模式)简单的说就是把海洋原始方程组离散求解的过程。鉴于实际观测资料较少，无法满足研究需求。用数值模式进行数值模拟是实用的研究方法之一．目前海洋学界较为常用的OGCM有p0M、FVCOM、HAMSOM、HYCOM等。这些模式有些适用于近岸海域，有些适用于大洋，各有其自身的特点。本文作者在对以}：各模式使用与理解的基础．|：，对这几种模式进行了介绍，并对如何选用一个合适的模式给出了建泌。关键词：数值模式；IN)M；HYCOM；FVCOM；HAMSOM中图分类号：P73l文献标识码：A文章编号：1003—0239(2008)4—0108一130FORECASTSV01．25．NO．4NOV．28收稿日期：2008-03-25基金项目：中困科技部973计划(2005CIM22300)项口资助．科技部国际科技合作计划项目(2006DFB21250)．高等学校引智计划(B07036)项口资助．作者简介：郑沛楠(1981一)男，博士，书要从事海洋环流方Ild的研究．GeneralCirculation万方数据Lewy3个人的名字命名的。是在有限差分和有限体积方法中的稳定性和收敛性分析中一用于流体力学的数值模拟中，CFL条件作为一个格式稳定性和收敛性的判据，也随之显(4)模式采用自由表面和分开的时间步长。外模式为二维，采用短的时间步长计算1977年共同建立起来的一个三维斜压原始方程数值海洋模式，后经过多次修改成为今天的样本，是被当今国内外应用较为广泛的河口、近岸海洋模式。‘该模式现已被成功应用于国内外的许多区域：20世纪80年代该模式就被相继应用，墨西哥湾、哈得逊河口和北冰洋，进入20世纪90年代后，该模式又被应用于地中海。POM对于中国海的数值模拟研究也有巨大贡献。POM的主要特征(1)模式嵌套了一个2．5阶湍封闭模型来求解垂向湍流黏滞和扩散系数(Mellor&etal．，1988)；水平湍流黏滞和扩散系数基于Smagorinsky(1963)参数化方案，避免了人为选取混合系数造成的误差。湍模式包含在子程序PROFQ和ADVQ里面。(2)水平方向采用正交曲线网格，变量空间配置使用“ArakawaC”网格，可以较好的匹配岸界(见图la)。与均匀网格相比，水平曲线正交网格是渐变的，能更好地拟合岸线侧边界，减少“锯齿”效应。垂直方向采用SIGMA坐标，有利于处理崎岖的地形(见图1b)。图la正交曲线坐标系SIGMA坐标(3)水平时间差分采用显式格式而垂直方向采用隐式，这样可以保证垂向不受CFL条件限制，在表层和底层使用更精细的网格。CFL条件是以Courant，Friedrichs，个很重要的概念。随着计算机的迅猛发展，有限差分方法和有限体积方法越来越多的应得非常重要了。水位和垂直平均流速，水位直接提供给内模态计算使用，垂直积分流速用来校正三维流速，外模态可从内模态获取底应力以及斜压项和对流项的垂直积分。内模式为三维，采用长的时间步长计算三维流速、温度、盐度和湍流参数。这样设置比完全三维计算节省很大计算量。可进行2D，3D诊断和