海洋混合层湍流输送参数化对重力位能收支影响的数值模拟研究

The energy balance of oceanic general circulation is a hot topic, but currently many researches are based on simplified numerical experiments lacking fundamental balance in energy budget. Thus there are still problems needing further exploration. So the physical reasonableness of ocean numerical model parameterization in energy balance research will be our main topic. This project will be based on a pressure coordinate, mass conservative OGCM PCOM, and by combining numerical simulation experiment and objective analysis datasets diagnose, we explore the energy conservation of popular turbulence parameterizations of numerical model, and quantitatively analyses their impact on ocean gravitational potential energy balance simulation, and to reveal the false components. Further, we will investigate the idea of wind wave mixing and tide mixing parameterizations, and discuss the physical mechanism of energy transformation in ocean. We hope this work will improve our understanding in oceanic energy balance, development of ocean numerical model and ocean energy research.

大洋环流的能量平衡问题有重要科学意义，但很多研究基于简化的数值模拟实验，因此仍存在需深入研究的科学问题。本项目以定量分析海洋数值模式参数化在能量平衡数值模拟中是否物理合理，以及进一步认识海洋重力位能收支过程等科学问题为研究目标。从一个压力垂直坐标下的质量守恒大洋环流模式PCOM出发，采用数值模拟实验和客观资料诊断分析相结合的方法，研究不同主流垂直湍流混合输送参数化方案在模式中的能量守恒性，定量分析它们对海洋能量平衡数值模拟，特别是对重力位能收支模拟的影响，揭示其中虚假成分。并进一步考察潮致混合，海浪致混合参数化引入的外部能量，初步探讨外部能量在海洋中转化过程的物理机制。研究结论从能量学角度理解海洋湍流混合过程，将为发展海洋数值模式及海洋能量学研究提供一些科学参考。

海洋是气候系统的重要组成部分，作为能量和温室气体的巨大源汇，其时空变率缓慢的特性使之成为地球气候系统最重要的调节器。海洋中的能量平衡过程，尤其是重力位能收支是海洋气候变化最根本的动因。本项目基于质量能量守恒的大洋环流模式，利用数值模拟与诊断分析相结合的方法，全面深入细致的研究模式中湍流混合输送参数化对能量平衡过程数值模拟的影响，特别是一些主流常用垂直湍流参数化方案对海洋有效重力位能平衡过程数值模拟的影响。首先，项目改进了原有研究工具，重新在全球倍格元网格体系下构建了一个能够真正模拟全球海洋并满足质量能量守恒的全球海洋环流模式。并在模式体系内加入了GPU加速计算支持的特性。之后通过500年数值积分，验证了数值模式的正确性，并初步得出了简化参数化方案，TKE参数化方案和高阶参数化方案三种垂直湍流混合参数化方案对全球海洋动能和位能整体平衡过程的影响。最后，通过理论分析与数值模拟相结合的方法，细致深入的分析了三种参数化方案内在的物理机制，及其对数值模拟产生的相关影响。最终项目研究表明：海洋中能量收支的变化主要受上层海洋季节变化的制约，但也存在稳定的长期演变趋势。位能的季节变化幅度约为动能变化幅度的15倍，位能的平衡过程主要体现为位能-内能间的平衡过程，垂直混合对位能变化的贡献率最高可达50%，但一般不会超过10%，而且湍流混合转化的位能最终大部分仍转化为不稳定湍流动能耗散掉。位能向动能的转化率约为5%，提升三维温盐梯度可以有效增加位能向动能的转化效率。高阶垂直混合参数化方案可以更好的完整再现能量从大湍涡向小湍涡的转化过程，从而能够进一步提升海洋三维温盐梯度，促进位能向动能的转化。本项目的研究成果指出了海洋动能变化的一个重要影响因子及其内在的物理机制，对海洋天气和气候数值预报业务化和研究工作有重要的科学参考价值。