大洋环流与海气相互作用数值模拟教程课件

大洋环流与海气相互作用数值模拟教程欢迎参加大洋环流与海气相互作用数值模拟教程本课程将系统介绍大洋环流的基本理论、海气相互作用机制以及相关数值模拟方法，帮助学员掌握海洋模式的构建、运行和结果分析技能通过理论学习与实战演练相结合的方式，您将了解从基础物理概念到高级数值模拟技术的全过程，为海洋科学研究和气候变化研究奠定坚实基础课程介绍课程目标适用对象培养学员对海洋环流与海气相海洋学、大气科学、气候学领互作用的理论理解和数值模拟域的研究生及科研人员，具备能力，使学员能够独立设计、基础流体力学和计算机编程知运行和分析海洋数值模拟实验识的学员将更易掌握课程内容主要内容涵盖大洋环流理论基础、海气相互作用机制、数值模拟原理与实践、数据分析与可视化技术，以及前沿研究方向探讨大洋环流基础理论地转流理论热盐环流地转流是大尺度海洋环流的基础，形成于科氏力与压力梯度力的热盐环流是由海水密度差异驱动的深层环流系统，也称大洋传平衡其运动特点是沿等压线流动，在北半球呈现逆时针方向，送带极地海域的冷却和盐分增加导致水体下沉，形成深层水，在南半球呈现顺时针方向推动全球热量和物质输送地转平衡方程可表示为和热盐环流的时间尺度可达上千年，对全球气候系统的长期调节具fv=1/ρ∂p/∂x fu=-，其中为科氏参数，、为水平速度分量有至关重要的作用，是研究气候变化的关键环节1/ρ∂p/∂y fu v全球大洋环流结构大西洋环流北大西洋环流以强劲的墨西哥湾流为特征，向北输送大量热量深层环流以北大西洋深水和南极底层水为主导，形成独特的大西洋经向翻转环流AMOC太平洋环流北太平洋环流以黑潮和阿拉斯加洋流为代表，南太平洋存在南赤道流和东澳大利亚流太平洋深层水交换受限，深层环流相对较弱印度洋环流印度洋环流受季风系统强烈影响，季节性反转明显索马里洋流夏季向北流动，冬季向南流动其深层环流主要受南极底层水控制南大洋环流以强大的南极绕极流为主，连接三大洋盆绕极流输送量巨大（约），是全球气候系统中的关键环节150Sv西边界流与东边界流西边界流特征东边界流特征西边界流速度快（可达）、宽东边界流速度慢（约）、2-5m/s

0.1-

0.3m/s度窄（约）、垂直延伸深（可宽度广（约）、垂直范围浅、100km1000km达数千米）、温度梯度大温度变化缓慢典型实例动力机制西边界流墨西哥湾流、黑潮、巴西流、效应（地球自转角速度与纬度关系）β东澳大利亚流；东边界流加那利流、导致西向强化，是西边界流形成的基本加利福尼亚流机制大洋环流的时空变率季节变化受太阳辐射季节变化影响，环流强度和位置表现出明显的年周期变化如北太平洋黑潮流量夏季强冬季弱，印度洋索马里洋流随季风反转方向年际变率厄尔尼诺南方涛动是最显著的年际变化信号，周期约年期间热-ENSO2-7带太平洋温度异常影响全球环流模式，引起远程气候连锁反应年代际变率太平洋年代际振荡和大西洋多年代际振荡表现出年尺度PDO AMO10-30的长周期变化，对区域气候有深远影响百年尺度变化与全球气候变化相关，表现为海平面上升、海洋暖化和环流系统整体变化，如大西洋经向翻转环流减弱趋势海气相互作用基本概念能量和物质交换通过感热、潜热、辐射和动量传输反馈机制正反馈增强初始信号，负反馈抑制系统波动多尺度耦合从小尺度湍流到全球环流的跨尺度相互作用气候系统整体性海洋、大气、冰、陆地和生物圈共同构成海气相互作用是连接大气和海洋两大流体系统的桥梁，通过界面的能量、动量和物质交换过程实现这种相互作用既包括大气对海洋的强迫作用，如风应力驱动表层环流，也包括海洋对大气的反馈，如海表温度影响大气环流风应力与大洋环流响应风应力作用风摩擦力直接驱动海表流动埃克曼螺旋垂直方向速度衰减与方向变化埃克曼输运积分效应导致表层水平输送上升/下沉流风场辐散辐合引起垂直运动/风应力是驱动大洋环流的主要外力之一当风吹过海面时，动量通过摩擦力传递给海水，形成表层流动由于地球自转的科氏效应，表层水体运动方向与风向存在偏角，在北半球向右偏转，南半球向左偏转，形成埃克曼螺旋埃克曼层内的水平输运与风向呈度角，引起海水垂直运动在风场辐合区域形成下沉运动，在辐散区域形成上升流，这对海洋生态系统和热量再分布具有重要影90响海表温度（）的作用SST热力驱动决定海气界面热量交换强度和方向，通过潜热和感热释放影响大SST气加热，驱动大气环流热带暖池区域强烈的蒸发和上升运动是全球大气环流的重要驱动力水循环调节通过控制蒸发速率，影响大气水分含量和降水格局海温异常区SST域常伴随降水异常，如厄尔尼诺期间热带太平洋东部降水增加、印度尼西亚区域干旱气候遥相关异常可以通过大气桥和海洋通道影响远距离区域气候印度洋太SST-平洋暖池与北美气候存在显著相关性，是季节预报的重要指标SST海洋混合层与热力学过程混合层定义海洋表层温度、盐度和密度基本均匀的水层，厚度从数米到数百米不等混合层是海气交换的主要场所，直接参与与大气的热量、动量和物质交换混合层形成机制主要由风应力搅拌、波浪破碎、夜间对流冷却和海表蒸发引起盐度增加等过程形成混合强度与风速和浮力通量密切相关，季节性和日变化显著温跃层特征混合层下方温度急剧变化的过渡层，阻碍深层冷水与表层的热交换温跃层强度影响混合层对大气强迫的响应灵敏度和持久性热量收支混合层温度变化由太阳辐射、长波辐射、感热和潜热交换、水平和垂直海洋热输送共同决定热量平衡分析是理解海气相互作用的基础观测手段简介卫星遥感船载观测自动观测平台卫星高度计测量海面高度，反演表层地转（电导率温度深度）剖面仪测量水水下滑翔机可长期巡航观测；锚系浮标实CTD--流场；微波辐射计获取海表温度和风场；体理化参数；（声学多普勒流速剖现定点连续监测；漂流浮标随海流运动，ADCP光学传感器检测海洋颜色，估算叶绿素浓面仪）获取流速三维分布；走航测量实现覆盖广阔海域这些平台大幅提高了观测度；重力卫星追踪大尺度海水质量变化对断面的快速扫描船载观测提供高精度效率和覆盖范围，形成全球海洋观测网络卫星观测具有高时空覆盖率的优势和深层数据现场观测资料观测系统覆盖范围数据类型时间分辨率浮标网全球海洋温度、盐度、压天一次ARGO10力剖面热带锚系浮标阵热带太平洋、大温度、盐度、流小时日-列西洋、印度洋速、气象要素海面漂流浮标全球海面表层温度、流速、小时日-气压断面重复观测关键海域断面多要素完整剖面季度年-水下滑翔机区域海洋温度、盐度、生连续化参数全球海洋观测系统为数值模拟提供了可靠的初始场、边界条件和验证数据世界大洋数据库整合了年以来的全球海洋观测资料，是研究海洋长期变化的宝贵WOD1772财富数值模拟目的与意义理解复杂过程利用数值模式重现海洋环流和海气相互作用的复杂物理过程，弥补理论分析的局限性模拟可以分解各个影响因素，帮助理解机制和因果关系弥补观测空缺海洋观测在时空上仍有很大局限，特别是深海和极地区域数值模拟可以生成完整的四维数据集，填补观测空白，提供全面的海洋状态描述预测与预报基于物理规律的数值模式能够预测未来海洋状态和气候变化趋势，支持科学决策和防灾减灾从短期海况预报到百年气候变化预估都离不开数值模拟理论检验与发展数值模式是检验海洋动力学理论的有效工具，可以进行无法在实际海洋中实现的控制实验和敏感性分析，促进理论创新和发展数值模式基本原理海洋数值模式以流体力学基本定律为基础，包括质量守恒方程（连续性方程）、动量守恒方程（方程）、能量守恒方Navier-Stokes程和状态方程这些偏微分方程组描述了流体运动的完整物理过程由于方程组的高度非线性和复杂性，通常采用数值离散化方法求解常用的离散化方法包括有限差分法、有限体积法和有限元法，将连续的物理空间划分为离散的计算网格，将微分方程转化为代数方程组模式网格与分辨率等距网格曲线网格非结构网格最简单的网格类型，经纬度均匀划分优根据研究区域特点定制的非均匀网格可使用三角形或多边形单元的不规则网格点是结构简单，编程实现容易；缺点是在以在关键区域（如西边界流、赤道区域）最大优势是可以灵活适应复杂地形和多尺高纬度区域网格变形严重，且经向格距变加密，在开阔海域稀疏，平衡计算资源和度问题，沿海岸线和陡峭地形处可无缝加小导致计算时间步长受限，计算效率低下精度需求适合复杂海岸线和关注特定海密计算复杂度高，但能更精确描述复杂域的区域模式地形影响常用海洋数值模式ROMS NEMO区域海洋模式系统，适用于沿岸和区域欧洲发展的主流海洋模式，模块化设计海洋模拟，地形跟随坐标系设计，广泛包含海洋、海冰和生物地球化学组件，应用于海洋生态和近海动力学研究是多个业务化预报系统的核心MOM6HYCOM模块化海洋模式第六代，开发的GFDL混合坐标海洋模式，结合等密度、等深全球海洋模式，采用任意拉格朗日欧-度和地形跟随坐标的优势，美国海军使拉坐标，具有出色的保守性和数值稳定用的业务化预报模式性这些模式各有特点和适用范围，选择时应考虑研究目标、区域特点、计算资源限制和技术支持情况多数模式均为开源软件，有活跃的用户社区和技术支持大气模式与耦合模式50+9活跃发展的气候模式核心物理过程全球气候模式研发机构数量典型耦合模式中参数化的关键过程数量25km最高分辨率当前最先进全球耦合模式的网格分辨率大气模式与海洋模式配合使用形成耦合模式，实现海气相互作用的双向模拟常用大气模式包括（社区大气模式）、（天气研究和预报模式）、等，它们解决大气动力学、CAM WRFECHAM辐射传输、云和降水等物理过程完整的地球系统模式（）除了大气海洋耦合外，还包括陆地、海冰、生物地球化学和碳循ESM-环等组件代表性耦合模式如（社区地球系统模式）、、等，是气CESM GFDL-ESM FIO-ESM候变化研究的核心工具耦合模式的关键在于组件间通量交换的精确计算和时间同步策略初始场与边界条件初始场构建定义模式开始计算的起始状态边界条件设置规定计算域边界处的物理状态动力平衡调整消除初始不平衡引起的虚假震荡数据同化技术融合观测与模式结果优化状态估计初始场可以来自气候态数据、前期模拟结果或同化系统分析场理想的初始场应该与模式动力学保持一致，否则会产生初始震荡通常采用冷启动或热启动策略，前者从静止状态开始逐渐施加外力，后者使用已达到准平衡的模式结果边界条件包括开边界条件（如辐射、特征线、嵌套）、表面边界条件（海气通量、径流）和底部边界条件（摩擦、地形）边界处理影响模式稳定性和物理保守性，是海洋模拟的关键环节模拟的时间推进方法显式方法隐式方法分裂方法直接根据当前时刻状态计算下一时刻状通过求解方程组同时计算当前和未来状将不同物理过程或不同空间维度分开处态优点是算法简单，计算量小；缺点态优点是稳定性好，可使用大时间步理优点是可针对不同特性选择最优算是时间步长受条件限制，否则数值长；缺点是需要解大型线性方程组，计法，提高效率；缺点是可能引入分裂误CFL不稳定算量大差欧拉前向差分法克兰克尼科尔森方法交替方向隐式法••-•ADI龙格库塔方法后向欧拉方法算子分裂技术•-••跃进格式半隐式方法物理过程分离•••适用于波传播和动量方程等计算，但时适用于扩散项和垂直混合等计算，允许现代海洋模式通常采用这类混合方法平间步长受限制较大时间步长衡效率和准确性数值扩散与稳定性CFL条件确保信息传播不超过网格距离的时间限制数值滤波控制小尺度噪声的高阶滤波器人工黏性与扩散显式添加的扩散项平滑解场网格设计交错网格提高物理守恒性数值稳定性是海洋模式的首要条件库朗弗里德里希斯列维条件要求时间步长不超过网格距离除以最大波速的比值，即对于显式--CFLΔtΔx cΔt≤Δx/c计算，这一限制非常严格，特别是在高分辨率模拟中人工黏性和扩散项的引入是控制数值噪声和避免网格尺度震荡的常用手段常见的有拉普拉斯型和双调和型黏性，前者对整个波谱都有阻尼作用，后者主要抑制最小尺度噪声黏性系数的选择需要平衡数值稳定性和物理真实性，过大的黏性会过度平滑物理结构小尺度过程参数化湍流参数化内波混合对流调整海洋中的湍流混合是分子尺度以上、可分内波在温跃层和密度跃变层破碎造成的混静力不稳定引起的强烈垂直混合通过对流辨尺度以下的非线性运动模式中通常使合是深海热量和动量垂直输送的重要机制参数化实现常用方法包括增强垂直扩散用湍流闭合模型，将亚网格湍流效应参数内波混合参数化通常基于地形粗糙度、层系数和显式重新排列水柱等正确的对流化为可解析变量的函数常用方案包括结强度和潮汐能量通量，将内波产生、传参数化对模拟深层水形成和热盐环流至关方案、模型和播和耗散简化为扩散系数的计算重要Mellor-Yamada k-εKPP（剖面参数化）等K湍流混合过程模拟常数黏性系数最简单的方法，使用固定值表示湍流混合强度优点是实现简单；缺点是无法反映湍流随环境变化的特性，物理意义有限主要用于理想化和教学实验Richardson数相关方案黏性系数与数（衡量浮力稳定度与流切变比值）相关联在强流切变区增Richardson加混合，在稳定层结区减弱混合计算简单，物理上合理，但精度有限湍流能量模型基于湍流动能方程的高级闭合模型，如和方案考虑湍流能量的k-εMellor-Yamada产生、输运和耗散全过程，物理更完整，但计算量大且需要精细调校K剖面参数化KPP综合考虑表层强迫、内部剪切、对流不稳定等过程，构建非局部混合系数剖面能较好处理表混合层与海洋内部的过渡，是现代海洋模式中广泛采用的方案浮游生物和生态模型耦合营养盐浮游植物包括氮、磷、硅、铁等限制性营养元素通过光合作用转化无机碳为有机物控制初级生产力依赖光照和营养盐••受物理环境影响分布碳、氮循环关键环节••碎屑浮游动物死亡有机物，分解释放营养元素捕食浮游植物，控制种群动态垂直输送有机碳链接初级生产者和高营养级••生物泵作用机制产生沉降颗粒物质••海洋生态模型通过与物理模型耦合，实现对海洋生物地球化学循环的模拟（营养盐浮游植物浮游动物碎屑）模型是最基NPZD---本的生态模型框架，在此基础上可以增加功能群、粒径谱和多种限制因子海洋表层过程模拟表面波参数化海浪对动量传递、湍流产生和漂移有重要影响模式中通过波浪参数化方案考虑波Stokes浪对表层混合增强、风应力修正和表面粗糙度影响，提高气海动量和热量通量计算精度-辐射穿透与吸收短波辐射在水体中的衰减影响热量垂直分布模式采用不同复杂度的光衰减方案，从简单的双指数衰减到考虑叶绿素浓度变化的生物光学模型，模拟光在水体中的传播与吸收皮肤层效应海洋最上层毫米级的皮肤层温度与下方混合层有显著差异精细模式中专门参数化皮肤层效应，考虑分子扩散主导的热传导，提高海气热通量和长波辐射计算准确性-淡水通量处理降水、蒸发和河流输入形成的淡水通量影响海表盐度和浮力模式中通过虚拟盐通量或直接增减水柱来处理淡水输入，影响近表层层结稳定性和混合过程海冰物理过程耦合海冰过程物理机制参数化方法海冰形成表层水温降至冰点，结基于能量平衡，考虑潜晶成冰热释放海冰增长底部冻结和降雪积累热传导方程求解，多层垂直结构海冰运动风应力、海洋应力和科刚性粘塑性流变学或-氏力驱动弹性粘塑性方法-海冰融化表面、底部和侧面融化热力学能量平衡计算盐分排出结冰过程中盐分排出形盐分通量参数化，影响成盐卤水深水形成海冰海洋大气相互作用是高纬度气候系统的核心海冰反照率反馈是极地增温放大--的重要机制；海冰覆盖阻断海气热量和动量交换；海冰形成过程中的盐分排出驱动深-层对流潮汐与大洋潮流数值模拟温盐环流再现经向翻转环流深层环流量化南北向的质量和热量输送，计深水形成追踪深层水团沿洋底和密度面的扩算经向翻转流函数，评估模式再现表层流动模拟北大西洋和南大洋极地区域海散路径，模拟上升流和混合过程，温盐环流的能力翻转环流强度是模拟洋盆尺度的风驱环流，包括副水冷却和增盐过程，引发静力不稳完成温盐环流的回路深层环流评价模式性能的重要指标，也是气热带和副极地环流，以及强劲的西定和深层对流，形成北大西洋深水时间尺度长达千年，是气候系统中候变化研究的关注焦点边界流这些表层环流负责向高纬和南极底层水正确模拟深水形成最慢的组成部分度输送大量热量，是全球热量再分对还原全球大洋传送带至关重要布的关键环节（厄尔尼诺南方涛动）模拟ENSO/厄尔尼诺物理机制拉尼娜特征模拟评估指标厄尔尼诺是热带太平洋海气系统的年际振拉尼娜是循环的冷位相，表现为赤模拟的关键评估指标包括指ENSO ENSONiño荡现象，表现为赤道东太平洋异常增暖道东太平洋异常变冷，信风增强，温跃层数（如区异常）的强度和变Niño

3.4SST其发展涉及正反馈机制东太平抬升模拟拉尼娜事件需要正确表达海洋率、循环的周期特性（年）、Bjerknes ENSO2-7洋增暖减弱信风温跃层加深进一步增的记忆效应和次表层冷水的向上输送过事件发展的季节锁相、暖冷事件的不对称→→暖数值模式需要精确模拟赤道波动力学、程好的模拟应该能再现厄尔尼诺性以及与全球气候的遥相关模式多数气ENSO混合层热量收支和风应力响应，才能正确和拉尼娜相位的不对称性特征候模式能再现的基本特征，但在强ENSO再现周期度、周期和季节锁相方面仍存在偏差ENSO北大西洋涛动（）响应NAO定义与特征海洋环流响应NAO北大西洋涛动是北大西洋区域冰岛低压正位相时，北大西洋副极地环流和NAO和亚速尔高压之间的气压摆动，是北半墨西哥湾流增强；负位相时，副极地环球中高纬度最主要的大气变率模态流减弱，湾流路径南移表层温度影响海气反馈机制通过改变风应力、热通量和混合层NAO异常反过来影响大气边界层和热带SST深度影响分布，形成特征性的三极SST外大气环流，形成复杂的正负反馈环路结构异常在耦合模式中，的模拟质量取决于大气环流模态的正确表达和海洋对大气强迫的敏感响应成功的模拟应能再现的年际到NAO NAO年代际变率，以及与北大西洋的滞后相关关系SST季风系统与海洋环流印度洋季风环流南海季节性环流淡水通量影响印度洋季风环流是全球最显著的季节性反南中国海环流受东亚季风强烈调控，呈现季风降水和河流径流导致显著的淡水通量转系统夏季西南季风期间，索马里洋流明显的季节转换冬季盛行东北风驱动海季节变化，对表层盐度和层结稳定性产生北向流动，沿索马里和阿拉伯半岛形成强盆尺度气旋性环流；夏季西南风导致反气重要影响孟加拉湾因恒河布拉马普特-烈上升流；冬季东北季风期间，洋流转向旋性环流季风转换期间出现明显的中尺拉河系统和强降水形成低盐水层，增强了南流季风驱动的海洋环流变化通过改变度涡活动，强烈影响区域热量和物质输运层结稳定性，抑制了垂直混合，导致显著上升流和混合层深度影响海表温度，进而模拟南海环流需要考虑复杂地形和开边界的屏障层现象模拟这一过程对正确再反馈到大气环流条件的影响现印度洋季风系统至关重要西边界流数值重现分辨率要求涡旋脱落模拟西边界流模拟的首要挑战是分辨率要求由于其狭窄尺度（典型宽度仅西边界流模拟的另一关键能力是再现涡旋脱落现象墨西哥湾流和黑潮经常生100km左右）和强烈的水平梯度，需要至少°或更高的水平分辨率才能解析其内成暖涡和冷涡，这些涡旋对热量、盐度和生物地球化学物质的输运起重要作用1/10部结构和变率，特别是中尺度涡活动传统的粗分辨率模式往往表现出过度扩成功的模拟应能再现正确的涡旋生成频率、尺度和传播特性散的边界流路径变异再现与深层环流耦合西边界流路径的年际变异是模拟的难点如黑潮存在大弯曲和直达两种路径模完整的西边界流模拟必须考虑其与深层环流的垂直耦合墨西哥湾流下存在的态、墨西哥湾流存在北墙摆动这些大尺度路径变异受多种因素影响，包括上深西边界流是北大西洋深层水南向传输的通道这种垂直结构需要模式有足够游条件、地形相互作用、风应力场变化等模式物理参数化和地形表示对此影的垂直分辨率和准确的密度场表征能力才能正确再现响很大热带中尺度涡模拟海洋中尺度涡是尺度在公里的旋转结构，是海洋中最具能量的变率信号中尺度涡通过斜压和正压不稳定从大尺度环流中获10-100取能量，在能量级联中起关键作用模拟中尺度涡需要至少°的水平分辨率，高端模拟可达°1/101/50中尺度涡通过横向混合和垂直抽吸显著影响热量、盐度和示踪物分布涡旋参数化方案用于在低分辨率模式中表征中尺度涡的效应，常用的有方案（表征等密度面涡动扩散）和方案（表征等密度面横向混合）这些参数化方案使低分辨率模Gent-McWilliams Redi式能再现涡旋混合的整体效应，但无法表征个体涡旋的行为深层水体形成数值试验表层冷却极地区域强烈的海表冷却导致密度增加盐度增加海冰形成排出盐分和强蒸发增加表层盐度对流不稳定表层水体变重导致水柱静力不稳定深层沉降形成密集水团沉入深层和底层深层水形成是全球热盐环流的驱动力，主要发生在几个关键区域北大西洋的拉布拉多海和格陵兰海、南大洋的罗斯海和威德尔海这些区域的共同特点是冬季强烈冷却和可能的海冰形成导致表层水密度显著增加，触发深层对流数值模拟深层水形成面临的挑战包括准确表达小尺度对流过程（通常使用参数化方案）；正确模拟海冰海洋相互作用中的盐排出效应；表征陡峭地形附近的溢流过程（需要高分辨率或特殊参数化）；以及避-免过强的数值扩散导致深层水特性被不真实地稀释典型的敏感性试验包括调整垂直混合参数、表面浮力通量和溢流参数化气候变化下的大洋响应年93%30%

3.6mm/海洋吸收的额外热量海洋吸收的人为当前海平面上升速率CO₂占人类活动引起的地球系统能量失衡的比例减缓了大气二氧化碳上升速度但导致海洋酸化主要来自热膨胀和冰盖融化贡献气候变化情景下的海洋数值模拟必须考虑多方面的响应过程海洋热含量增加导致的热膨胀和温度分层强化；表层增暖减弱垂直混合，可能削弱大洋经向翻转环流；极地海冰减少改变海气通量和深层水形成；海洋酸化影响碳循环和海洋生态系统-典型的气候变化模拟采用历史预估策略，先通过再现过去观测到的变化验证模式能力，再基于共享社会经济路径（）情景预测未来变化关+SSP键的不确定性包括气候敏感度、云反馈过程、极地放大效应和关键阈值（如大西洋经向翻转环流的临界减弱点）南极绕极流与极地过程海洋再分析产品再分析产品研发机构空间覆盖时间跨度特点美国马里兰大学全球年至今长时间序列，分辨率适中SODA1871美国全球年至今业务化产品，准实时更新GODAS NCEP1980美国全球年至今基于伴随方法，物理守恒性ECCO NASA/MIT1992好法国全球年至今高分辨率，整合卫星数据GLORYS Mercator1993美国海军全球年至今混合坐标系，高分辨率HYCOM1994海洋再分析产品通过数据同化方法将数值模式与观测资料结合，生成物理一致、时空连续的最佳海洋状态估计这些产品已成为海洋研究、气候分析和模式验证的重要数据源观测与模拟结果检验统计指标物理特征检验定量评估模拟精度的客观指标，用于系统性验证和模式比较常基于物理过程和关键特征的定性和半定量评估，考察模式对重要用统计量包括物理机制的再现能力关键检验方面包括均方根误差（）衡量模拟与观测的整体偏差环流结构主要流系位置、强度和垂直结构•RMSE•相关系数评价模拟与观测的相位一致性水团特性温盐分布和核心水团特征••T-S泰勒图综合评价标准差、相关系数和混合层特性深度季节变化和热量收支•RMSE•分析比较模拟和观测的主要变率模态变率模态、等气候模态特征•EOF•ENSO NAO功率谱评估不同时间尺度变率的再现能力多尺度过程中尺度涡活动度和能量级联••热盐环流经向翻转流函数结构和强度•敏感性试验与不确定性参数敏感性1量化模式对关键参数变化的响应程度过程敏感性评估特定物理过程对模拟结果的影响边界条件敏感性3测试不同初始和边界条件的效应集合模拟技术通过多次模拟估计结果的概率分布敏感性试验是理解模式行为和评估结果不确定性的重要方法单参数敏感性试验通过改变单一参数值（如垂直混合系数、底摩擦系数）评估其对模拟结果的影响；多参数敏感性采用正交设计或拉丁超立方抽样，同时考察多参数交互作用不确定性定量化方法包括集合模拟（通过扰动初始场、参数或强迫生成多个模拟结果）、蒙特卡洛方法（随机抽样探索参数空间）和贝叶斯方法（结合先验信息和观测约束优化参数估计）不确定性信息对理解模拟结果的可靠性范围和指导观测系统设计具有重要意义性能优化与并行计算计算效率挑战高分辨率海洋模拟对计算资源要求极高以°全球模式为例，计算网格点可达数千万，1/10时间步长小至数分钟，气候尺度积分需数月计算时间随着分辨率提升至°或更高，计1/50算量呈几何级增长，传统串行计算已无法满足需求并行计算策略现代海洋模式采用域分解并行策略，将计算区域分割为多个子区域，由不同处理器同时计算（消息传递接口）用于处理器间通信，用于共享内存并行高效并行要求最小MPI OpenMP化处理器间通信开销和负载均衡优化异构加速技术（图形处理器）凭借其大量并行计算核心，可显著加速海洋模式中的计算密集型部分GPU或用于开发加速代码一些模式已实现关键计算核心的加速，取CUDA OpenACCGPU GPU得倍性能提升但代码重构和内存管理优化要求较高10-50算法优化算法层面优化包括使用高效求解器（如前条件共轭梯度法）、自适应时间步长、多级网格方法等优化采用并行文件系统和高效数据格式（如），减少数据存取瓶IO netCDF-4/HDF5颈代码级优化包括向量化、内存访问优化和编译选项调优高分辨率区域模式区域模式特点嵌套技术区域海洋模式专注于有限区域的高分辨率模拟，相比全球模式具嵌套技术是连接不同分辨率模式的桥梁，分为单向嵌套和双向嵌有显著优势套可实现极高分辨率（如或更细）解析沿岸和中尺度过程单向嵌套粗网格模式提供边界条件，细网格模式不反馈•1km•双向嵌套粗细网格相互影响，信息双向传递•对地形和海岸线表示更精细，捕捉局地地形效应•多层嵌套形成分辨率逐级提高的多层结构•计算资源需求相对较低，允许更多的敏感性试验•关键技术包括边界插值方法、缓冲区设计、数据同化融合和频率可定制物理参数化方案适应区域特性•控制嵌套边界问题（如波反射、流量不守恒）是主要挑战典型应用包括海流预报、污染物扩散、生态系统模拟和极端事件分析实战数值模拟流程后处理设计资料准备设计分析诊断方案，准备后处理脚本模式配置收集并预处理所需的观测数据、再分和可视化工具规划输出数据的采样任务规划选择适当的物理参数化方案，设计计析产品和外部强迫场根据模式网格策略，平衡存储空间和时间分辨率需明确科学问题和研究目标，确定模式算网格，准备初始场和边界条件文件和格式要求进行插值和格式转换准求设计模式观测比对方案，确定-类型（全球/区域）、空间范围、分编写或修改配置文件，设置时间步长、备地形和海陆掩码文件，确保地形平统计评估指标准备批量处理流程，辨率和模拟时段评估计算资源需求，输出频率、诊断变量等对关键参数滑处理适当，避免数值不稳定为长提高分析效率做出合理时间安排准备预编译环境，进行预估计和理论验证，确保物理合期积分准备气候态或时变边界条件确保依赖库（如理性和数值稳定性netCDF,HDF5,）正确安装规划数据存储和备MPI份策略实战模式运行与调试小规模测试开始短期低分辨率测试运行，验证模式设置和基本功能检查质量守恒、能量平衡和条件符合情况分析海表高度、温度和流场的合理性，对比气候态数据CFL故障诊断技巧使用调试输出跟踪关键变量演变分析崩溃原因数值溢出（太大时间步长或不稳定区域）、物理不合理（边界条件或初始场问题）、资源不足（内存溢出或错误）使MPI用增量调试法隔离问题源性能优化使用性能分析工具识别计算瓶颈优化域分解方案平衡负载调整策略减少磁盘访问IO开销测试不同编译器选项和优化级别记录性能基准供后续比较长期积分策略实现自动化重启机制处理中断情况设置阶段性输出点和检查点使用批处理脚本或工作流管理工具排队任务实施监控系统跟踪计算进度和资源使用实现异常警报通知机制实战案例分析展示年超强厄尔尼诺沃克环流响应全球遥相关影响2015/16使用海气耦合模式再现分析厄尔尼诺期间沃克环流变化，模拟显探讨厄尔尼诺通过大气桥影响全球其他区CESM2015/16年超强厄尔尼诺事件模拟采用°示信风减弱和赤道垂直环流减弱的典型特域的机制模拟再现了北太平洋阿留申低1/10海洋分辨率，从年月初始化，使征重点分析大气响应的滞后性及反馈作压增强、北美冬季南部湿润北部干燥的典20141用实际大气强迫驱动结果显示模式成功用，发现海温异常建立到大气环流完全响型模式但对印度季风的影响强度偏弱，捕捉了热带太平洋东部剧烈增温过程，但应存在约个月延迟模式较好再现了中可能与模式中热带热带外相互作用表达1-峰值温度异常比观测低约°，暖水舌太平洋对流增强和印尼群岛附近下沉气流不足有关理想化敏感性试验区分了

0.5C向西延伸程度略有不足增强的空间模式直接效应和次级反馈的相对贡献ENSO实战高级可视化与数据输出海洋模拟数据可视化面临的挑战包括数据量巨大（可达级）、多变量关联分析需求、三维空间结构表达和时间演变展示常用可视化软TB件包括生态系统（、、）、专业科学可视化工具（、）和交互式平台（、Python MatplotlibCartopy XarrayParaview VisitJupyter）Holoviz高级可视化技术包括流线和流迹展示三维流场；垂直剖面与平面结合展示热盐结构；等值面和体渲染表达三维结构；动画展示时间演变；虚拟现实技术提供沉浸式数据探索体验数据处理方面，和工具集提供高效的网格数据处理能力；和支持大数据并CDO NCODask Xarray行分析；压缩技术如和时间降采样用于减少存储需求DEFLATE最新发展趋势超高分辨率模拟机器学习应用多圈层耦合当前研究前沿正在推进深度学习技术在海洋模研究趋势正从传统海气全球°甚至拟中的应用方兴未艾，耦合扩展到包含更多地1/50°分辨率的海主要方向包括参数化球系统组分的全耦合模1/100洋模拟，能够解析中尺次网格过程（如对流和式，整合海洋、大气、度涡和次中尺度过程湍流）；从观测和高分陆地、冰、生物地球化这些模拟需要百万核心辨率模拟中学习模式偏学和人类活动这种级超级计算机支持，每差校正；超分辨率重建数字孪生地球项目旨秒计算量达数十技术提升低分辨率输出；在创建可用于理解和预超高分辨率使用生成对抗网络创建测复杂系统行为的虚拟PFLOPS模拟揭示了能量级联过集合预报成员；基于历地球，支持气候变化适程和小尺度动力学对大史数据的海洋状态预测应和减缓决策尺度环流的影响常见问题与解决策略数值不稳定表现为模拟中出现非物理的震荡或爆炸性增长原因可能是时间步长过大、地形处理不当、格点噪声放大或边界条件不合理解决策略减小时间步长；增加额外平滑或黏性；检查并平滑陡峭地形；实施滤波器削弱格点尺度噪声；优化边界区域处理方案气候漂移长期积分中模式状态逐渐偏离气候态平衡通常由热量或淡水收支不平衡、不正确的参数化或粗分辨率带来的累积误差导致解决策略检查并调整表面通量；实施通量校正（注意保护变率信号）；优化垂直混合参数化；提高关键区域分辨率；延长旋转时间实现新平衡态资源限制计算、存储或网络资源不足制约模拟规模和效率解决策略采用自适应网格重点提升关键区域分辨率；优化并行效率减少通信开销；实施在线数据分析减少存储需求；使用数据压缩和智能采样；寻找分布式计算或云计算资源观测验证不足缺乏足够观测资料验证模拟结果，尤其是对深海、极地和小尺度过程解决策略利用卫星遥感扩大表层覆盖；整合多源观测增加信息维度；设计关键诊断量突显物理机制；与其他模式比对识别共性问题；使用系综方法评估不确定性范围课程实践任务布置参考文献与资料推荐经典教材模式与数据资源《海洋数值模拟方法》，王辉武等著，科学出版社模式••NEMO www.nemo-ocean.eu《海气相互作用原理与应用》，常松等著，气象出版社模式••ROMS www.myroms.org《》，等编，模式•Ocean Circulationand ClimateSiedler•MOM6github.com/NOAA-GFDL/MOM6Academic Press模式•CESM www.cesm.ucar.edu《》，•Numerical OceanCirculation Modeling模式•HYCOM www.hycom.org著HaidvogelBeckmann再分析•GODAS www.cpc.ncep.noaa.gov《》，著，•Atmosphere-Ocean DynamicsGill再分析•ECCO ecco.jpl.nasa.govAcademic Press气候模拟•CMIP6esgf-node.llnl.gov《•Numerical Modelsof Oceansand Oceanic数据•ARGO www.argo.ucsd.edu》，著Processes KanthaClayson卫星高度计•AVISO www.aviso.altimetry.fr课程总结与展望理论基础模式应用掌握大洋环流与海气相互作用的基本物了解主流海洋与耦合模式的结构与特点，理机制和数学描述，理解从微观湍流到能够根据科学问题选择合适模式并进行全球环流的多尺度海洋动力学配置未来方向实践能力把握领域前沿发展趋势，如超高分辨率通过实战训练，能够独立设计、运行数模拟、人工智能应用和数字孪生地球等值模拟实验并进行结果分析与解释本课程通过系统介绍大洋环流与海气相互作用的理论基础、数值模拟方法和实际应用，为学员提供了全面的知识体系和实践技能随着计算能力的提升和模拟方法的革新，海洋数值模拟正迎来新的发展机遇，将在气候变化研究、环境保护和资源管理等领域发挥更加重要的作用答疑与交流课后问答每节课后预留分钟专门答疑时间20在线平台课程网站提供讨论区和资料下载微信群扫描下方二维码加入课程交流群邮件咨询重要问题可发送邮件至指定邮箱欢迎学员积极参与课程讨论与交流，分享自己的模拟经验和研究进展课程团队将持续提供技术支持和学术指导，帮助解决实践中遇到的具体问题我们也鼓励学员之间建立合作关系，共同探讨科学问题，相互促进学习课程结束后，我们将保持交流平台的活跃，定期分享领域最新研究进展和技术动态优秀的学员作业和项目将有机会在后续学术活动中展示，或推荐至相关会议和期刊我们期待与大家共同成长，推动海洋数值模拟领域的发展。