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浅谈物理海洋数值模式的创新思路
2010-07-09 | 编辑:蔡树群 | 【  】【打印】【关闭

蔡树群 1968年4月16日生,博士,现为中国科学院南海海洋研究所研究员,博士生导师,数值模拟与观测学科组长。研究方向是物理海洋数值模拟,主持课题包括国家自然科学基金面上项目3项、“863”课题2项、国家科技攻关(支撑)项目专题3项、中国科学院创新工程项目课题2项、广东省自然科学基金1项和广东省科技计划项目1项,参加其他包括“973”在内的纵、横向课题40多项。在国内外主要刊物发表论文70多篇,其中被SCI收录的第一作者文章18篇,译著1部,获实用新型授权专利2项。成果获广东省科学技术一等奖1项、三等奖2项;获广东省期刊优秀作品论文三等奖1项、广东省自然科学优秀学术论文二等奖1项。

物理海洋学是流体力学的一个重要分支,是研究海洋流体和地球流体动力过程的一门学科。物理海洋学的主要研究方法可分为理论研究、数值模拟、实验研究和海洋调查。由于前人的持续研究积累,使得物理海洋学的理论研究日臻完善,因此现今要在理论研究上取得重大突破相对较难,而且它有赖于从实验研究和海洋调查的结果分析和探索。目前,物理海洋学研究手段仍然主要集中在数值模拟、实验研究和海洋调查上。实验研究和海洋调查必须是长期、广泛的,它需要大量的人力、物力资源的坚持投入,以期从中发现一些有意义的值得研究的物理现象;相对来讲,数值模拟是一种折衷而又经济的方法,它利用日益先进的计算机技术,通过对数学方程建模以及差分或有限元方法编制程序,实现对物理海洋学以及相关交叉学科的环境要素进行数值模拟,从而探讨由理论研究、实验研究和海洋调查结果中得到的现象的动力学和热动力学机制,甚至进行数值预报。目前,国际上欧美国家已经发展且比较成熟的物理海洋数值模式主要有OGCM、POM、MOM、ECOM、ECOMSED、MICOM、MIGCM、HAMSOM等模式,而国内自己发展起来的较有名的有LICOM、TOM等,但与国际模式相比较而言,其应用性、研究经费和人力的投入以及相关维护队伍等仍然不可同日而语,劣势甚大。因此,摆在数值模拟研究工作者目前的路无非两条:一是拿来主义,这注定了要沿着人家的路来走;另一是自己建立模式,而这又面临着研究经费和人力的投入少等困境。权衡利弊,我们学科组坚持如下原则:除非迫不得已,否则尽量由自己建立模式。学科组多年来的实践研究体会主要有以下两条:

一、老机制模式的建立和变通

从垂向上看,现实海洋可近似为不同密度的连续层结水体,其波动变化可线性分离为正压模态和若干连续的斜压模态,其中正压模态和第一斜压模态占主要地位。为了简化研究,前人建立了一个简单而直观的物理机制模式——即两层模式,这是一个传统的物理海洋学模式,通过该模式可以模拟研究正压模态和第一斜压模态的作用及机制。比两层模式的更简单化的是一层正压模式——只模拟研究正压模态和1层约化重力模式——只模拟研究第一斜压模态。但是,如果就这样将两层模式直接应用于南海环流的模拟研究就存在这样一个问题,即它未能反映南海东北部、南海南部等大陆架浅海区的底形。例如,为避免计算易于发散,上层无扰动水深一般取为200m左右,因此,对于浅于200m的陆架区,仍然要虚设其上层深度为200m,下层深度取为50m,等等。考虑到南海底形变化陡峭的特点,我们拟用一个在两层模式的基础上改进后的分区性正-斜压连接模式来对包括台湾海峡在内的整个南海的环流机制作进一步的数值研究。该模式的特点是:在大陆架浅海地区(如取200m为深、浅海界限)用正压(单层)模式,而其余深海区用斜压(两层)模式。这样,在计算时便克服了单独采用两层模式对底地形分辨力较差的弱点,以便体现该区域陡峭的底形效应。该模式曾被用于对南海东北部及台湾海峡邻近海域环流进行了数值模拟,初步的计算结果表明该模式能较好地反映该海区的真实流场。该模式的特点在于:可用简明直观地反映作用于南海的正、斜压模,风应力,黑潮、底形效应等多种主要因子,并被我们成功地用于探讨南海上层流场对于黑潮入侵、冬季风、夏季风以及季风转变的期间的响应和动力机制,揭示了南海流场的季节性模态特征、涡旋场与内Kelvin波和Rossby波之间的关系,探讨夏季越南离岸流的形成与风应力旋度、底形效应以及巽他陆架以南的入流等因素的关系。

二、注重由观测到物理机制的探讨

目前,除了一些近岸的潮汐外,要实现真正意义上对其他海洋环境动力学要素(即使是潮流)的数值模拟预报,都无法保证数值模拟预报的精度,这主要是由于影响海洋环境要素的因子太多,而且其中的一些物理机制尚未明确。因此,现阶段学科组的主要目标是,尽量从已有的历史观测资料(包括卫星遥感资料)的分析中,发现一些现象和规律,进而利用上述的机制模式来探讨出现这些现象的动力学和可能的热动力学机制。例如,在最近的一项研究工作中,我们首先基于多年卫星高度计资料的EOF模态分析,对苏禄海上层流场的季节变化进行研究,发现苏禄海上层流场一般表现为夏季为反气旋式环流、冬季则为气旋式环流的形态;进而,我们利用上述建立的正-斜压连接层化模式来探讨苏禄海夏、冬季节的上层环流特征及其动力机制,揭示了锡布土海峡出流、局地季风应力与其上层环流之间的关系,表明锡布土海峡出流与夏季风应力促使苏禄海上层环流表现为一个反气旋式环流、而冬季风应力则诱生一个气旋式环流,并对民都洛和巴拉巴克海峡的水交换及其对南海环流的贡献进行研究。这是国内外首次对苏禄海环流进行系统和详细的研究。

可见,两层模式作为一个传统的物理海洋学上的老机制模式,同样可以用来解决一些新问题,关键在于如何变通并应用于解释一些观测现实的物理机制。学科组建立以来,利用改进的正-斜压耦合层化模式,不仅将之应用于南海环流、苏禄海环流机制的研究,还拓展应用于对南海北部内潮、孤立内波等的机制研究,研究成果分别发表在《Journal of Geophysical Research》、《Continental Shelf Research》、《Oceanologica Acta》、《Chinese Science Bulletin》、《Acta Oceanologica Sinica》等国内外主要SCI收录刊物上。这表明,这些成果已经得到国内外同行的承认和赞许,同时也使我们感到欣慰,从而激励我们沿着这一思路继续前进……




























 
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