《大洋环流和海气相互作用的数值模拟讲义(第二版)》主要介绍与大洋环流和海气相互作用的数值模拟有关的基础知识。全书共十三章,可分为四部分。其中第一部分(第1到6章),介绍海洋环流和海气相互作用的初步知识;第二部分(第7到9章)介绍大洋环流模式的基本原理;第三部分(第10到12章)介绍几个典型问题的数值模拟;第四部分(第13章)通过上机实习的方式介绍海洋模式LICOM的基本结构及其应用。本课程可以看作是气候数值模拟的入门课程之一。
“大洋环流和海气相互作用的数值模拟”是中国科学院大气物理研究所(Insti-tute of Atmospheric Physics,IAP)大气科学和地球流体力学数值模拟实验室(La-boratory of Numerical Modelling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics,LASG)全球海气耦合模式课题组自2004年起在中国科学院研究生院(后改名为中国科学院大学)为硕士研究生开设的专业核心课程,可以看作是“气候数值模拟”的入门课程之一。
自20世纪80年代末以来,课题组一直从事于LASG/IAP大洋环流数值模式和海洋一大气耦合模式的发展、改进、应用和评估等方面的研究工作,这个过程是与课题组成员对大洋环流和海气相互作用的观测事实和动力学理论的学习和理解相结合进行的。“大洋环流和海气相互作用的数值模拟”课程设计的思路是:充分利用海洋环流模式和海气耦合模式的模拟结果,结合观测资料,诠释大洋环流和海气相互作用的基本概念和动力学理论,重点分析当代气候数值模拟中几个受关注程度较大的问题,同时介绍有关模式设计和模式评估的初步知识。根据课堂教学的需要,我们在2005年完成《大洋环流和海气相互作用的数值模拟讲义》的试用稿,然后经过反复修改,于2013年由气象出版社正式出版了《大洋环流和海气相互作用的数值模拟讲义》一书。
从2013年至今,通过教学相长,我们自己对于气候数值模拟的研究和教学也有了更深的体会和感悟;同时,同学们对教学内容和讲义本身提出了大量的有益建议,再加之气候数值模拟研究领域近年来也在快速发展。为此,我们对2013年版讲义进行了进一步修改和补充,形成了《大洋环流和海气相互作用的数值模拟》第二版(2021年版),其中主要修改如下。
(1)根据大多数同学的建议,增加了海洋模式上机实习内容(第13章),通过实际操作,不仅能使同学们对海洋模式有直观的认识,而且可以设计和完成敏感性数值试验,加强对课堂教学内容的认识和理解。此外,这样的模式实习操作,也为同学们未来开展数值模拟方面的研究工作奠定基础。
(2)在原讲义的第一部分(基础知识),结合海洋和耦合模式的研发和应用介绍相关的基础知识,结合典型的数值模拟试验介绍数值模式在研究和理解海洋环流和海气相互作用过程中的意义和作用,以及海洋和大气动力过程的异同点。
(3)结合当前气候模式研发和应用的最前沿,对原讲义的第二部分(模式原理)和第三部分(典型应用)进行了修订,突出了最新的研究进展。
(4)对原讲义中的错误进行了订正。
本讲义的修订得到了中国科学院大学教材出版中心和中国科学院战略先导专项(XDB42010401)的联合资助,清华大学薛巍教授为本讲义第13章提供了宝贵的技术支持,在此一并表示衷心感谢。
第二版前言
第一版前言
第1章 热带太平洋环流的初步知识
1.1 大洋的划分,热带海洋
1.2 热带太平洋SST
1.3 太平洋赤道流系
1.4 温跃层
1.5 海表高度和温跃层的关系,地转流
1.6 非频散斜压Rossby波
1.7 Kelvin波
参考文献
第2章 风生环流
2.1 引言
2.2 风生环流的Sverdrup理论
2.3 海洋中的西边界流
参考文献
第3章 风应力,热通量,淡水通量
3.1 风应力
3.2 湍流热通量和辐射热通量
3.3 淡水通量
参考文献
第4章 云对海气相互作用的影响
4.1 云的分类和基本概念
4.2 云对气候系统的调节作用
4.3 云对海温的影响
4.4 云辐射强迫与西太平洋暖池
4.5 气候模式模拟的云辐射强迫反馈
4.6 云辐射强迫与耦合模式的“双热带辐合带”现象
4.7 我国长江流域独特的中层云
4.8 高原下游云结构的变化与年代际气候变化
参考文献
第5章 中高纬度海气相互作用
5.1 大气和海洋中的深对流
5.2 中高纬度海气相互作用的特征
5.3 判断局地海气相互作用是海洋强迫大气还是大气强迫海洋的方法
5.4 北大西洋的海气相互作用
5.5 中纬度海气相互作用的基本特征
5.6 热带海洋对热带外大洋的影响
5.7 太平洋年代际振荡(PDO)和大西洋年代际振荡(AMO)
参考文献
第6章 大洋经圈翻转环流
6.1 大洋水团
6.2 经圈翻转环流与大洋环流输送带
6.3 大洋环流的经向热输送
6.4 海气耦合模式模拟的热盐环流变率
6.5 热盐环流与气候突变
6.6 全球变暖对热盐环流的影响
6.7 太平洋的经圈环流
参考文献
第7章 大洋环流模式原理
7.1 引言
7.2 基本近似和假定,方程组和边界条件
7.3 海表高度预报方程和表面重力波
7.4 “刚盖”近似模式和自由面模式
7.5 分辨率,模式地理
7.6 水平网格系统,“两点格式”
7.7 垂直离散化,连续方程的差分格式
7.8 波动方程计算稳定性概念
7.9 时间积分方案
参考文献
第8章 海洋模式的物理参数化
8.1 引言
8.2 基本概念
8.3 穿越等密度面的混合——上混合层和温跃层参数化方案
……
第9章 海冰及其数值模拟
第10章 ENSO的数值模拟
第11章 印度尼西亚贯穿流的模拟
第12章 全球变暖的检测、归因及其数值模拟
第13章 LICOM海洋环流模式上机实习手册
附录A 海表风应力资料介绍
附录B 本书用到的LASG模式简介
索引