【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于海洋与大气数值模拟，具体涉及一种涡分辨率海洋模式亚中尺度垂向浮力通量的参数化方法。
技术介绍
1、海洋数值模拟是以现实海洋为基本物理背景，以计算机为载体，按照物理规律对海洋状态进行模拟描述的一种研究手段，目前被广泛应用于科学研究和海洋预报。随着高性能计算能力的迅速发展，目前全球海洋模式网格距已逐渐精细到10公里量级（简称涡分辨率），该分辨率的数值模式仅够部分分辨中尺度涡，但无法分辨亚中尺度过程。亚中尺度过程可以打破地转平衡的约束，能够产生较强的垂向流速和浮力（热量）输运，对海洋混合层再层化和密度分布具有重要的影响。
2、目前，由于涡分辨海洋模式缺乏对亚中尺度过程浮力输运和分层效应的准确刻画，普遍存在混合层模拟偏深的问题，模拟偏差甚至可达上百米。发展亚中尺度过程次网格参数化方法，是改进当前涡分辨海洋模式模拟能力的重要环节。
3、现有基于混合层不稳定理论提出了刻画亚中尺度垂向浮力通量的参数化方法（简称f08方法），该方法有两个重要前提假设：一方面，假设亚中尺度过程主要由混合层不稳定所生成，忽视了拉伸致锋生机制的贡献；另一方面，假设亚中尺度过程的影响只局限在混合层内。然而，上述假设与最新的亚中尺度过程观测结果严重不符，最新观测结果表明，亚中尺度过程的影响并非局限在混合层，混合层之下也有活跃的亚中尺度过程；亚中尺度过程强度受到中尺度涡拉伸引起的锋生过程和斜压不稳定的共同调控。
4、已有的参数化方法之所以存在上述问题，主要是由于早期的技术装备和观测手段不够发达，开展针对海洋亚中尺度过程的现
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术提出了一种涡分辨率海洋模式亚中尺度垂向浮力通量的参数化方法，基于研究团队对海洋亚中尺度过程长期观测研究积累提出的“锋生调控下的混合-过渡层不稳定”这一新的亚中尺度过程生成机制，在理论上推导了该生成机制下亚中尺度垂向浮力通量的参数化理论模型；同时，通过求解“混合-过渡层斜压不稳定”最不稳定亚中尺度模态，构造了新的垂向结构函数，从而形成完整的参数化理论模型。
2、本专利技术的技术方案如下：
3、一种涡分辨率海洋模式亚中尺度垂向浮力通量的参数化方法，包括如下步骤：
4、步骤1、基于亚中尺度过程现场观测和理论研究，提出“锋生调控下的混合-过渡层不稳定”生成机制；
5、步骤2、基于“锋生调控下的混合-过渡层不稳定”生成机制，推导并建立亚中尺度垂向浮力通量的参数化理论模型；
6、步骤3、基于参数化理论模型，提出将亚中尺度垂向浮力通量参数化模型嵌入涡分辨率数值模式的方法；
7、步骤4、成功将参数化的亚中尺度垂向浮力通量嵌入涡分辨模式，实现对模式模拟效果的改进。
8、进一步地，所述步骤1中，“锋生调控下的混合-过渡层不稳定”生成机制为：中尺度涡旋的发展在涡旋边缘能够提供较强的中尺度背景拉伸，在中尺度拉伸的影响下又通过锋生过程使得上层海洋的密度锋面得以强化，锋面累积的有效位能增加；进一步，斜压不稳定过程发展，通过垂向浮力做功释放锋面储存的有效位能，并转化为亚中尺度动能，产生系列亚中尺度小涡旋形态，对应着向上的垂向浮力通量。
9、进一步地，所述步骤2的具体过程为：
10、理论上，亚中尺度过程的垂向浮力通量等于锋面上有效位能释放的效率，表示为：
11、 (1)；
12、其中，为亚中尺度垂向浮力通量；为亚中尺度有效位能释放率；为锋面上存储的亚中尺度有效位能；为时间；为近似为符号；为亚中尺度斜压不稳定发展的特征时间尺度；
13、而锋面有效位能的积累依赖于锋面的空间尺度以及水平浮力梯度的大小，进一步表示为：
14、 (2)；
15、其中，为锋面上的亚中尺度浮力异常；为海洋背景层结；为亚中尺度锋面的水平特征尺度；为水平梯度；为亚中尺度浮力异常；为背景的水平浮力梯度；考虑斜压不稳定在锋面的特征尺度上发展，则有,为亚中尺度锋面的水平特征尺度；为罗斯贝变形半径；为混合层厚度；为科氏参数；
16、由于海洋中尺度涡引起强的背景拉伸率促使局部流体发生伸缩和形变，增强了上层海洋的水平浮力梯度，形成更加尖锐且不稳定的亚中尺度锋面，即：
17、 (3)；
18、取平方得：
19、 (4)；
20、其中，为背景拉伸率；为锋生过程发生的时间尺度；
21、整理得：
22、 (5)；
23、其中，为经验系数；
24、假定锋生过程积聚的亚中尺度锋面有效位能立刻被斜压不稳定所释放，那么平衡意义下，则有：
25、 (6)；
26、其中，为新的经验系数；
27、基于混合-过渡层斜压不稳定理论推导，并结合潜标观测结果所揭示的亚中尺度过程垂向结构特征，构造了新的垂向结构函数，垂向结构函数的表达式为：
28、 (7)；
29、其中，为垂向结构函数；为深度；为以为底的指数函数；
30、从而，得到完整的亚中尺度垂向浮力通量的参数化理论模型，公式如下：
31、 (8)。
32、进一步地，所述步骤3的具体过程为：
33、将亚中尺度浮力通量作为额外项加入密度方程中,得：
34、 (9)；
35、其中，为浮力的局地导数；为散度算子；为背景流速；为背景浮力；为亚中尺度过程产生的浮力输运；为浮力强迫项；
36、鉴于水平方向的浮力通量基本由中尺度涡主导，垂向的浮力通量由亚中尺度过程占主，因此忽略密度方程中亚中尺度水平浮力通量的贡献，仅保留亚中尺度垂向浮力通量，即：
37、 (10)；
38、进一步，考虑到尺度感知和模式稳定，通过引入参考系数和模式水平格点距离，得到：
39、(11)；
40、 (12)；
41、其中，为参考系数；为赤道附近亚中尺度不稳定特征时间尺度，防止接近于赤道时出现模式计算不稳定；为参考系数；为参考纬度的科氏参数；为该参考纬度上亚中尺度不稳定发生的特征空间尺度。
42、进一步地，所述步骤4中，为了将亚中尺度垂向浮力通量参数化嵌入涡分辨模式，需要分别将亚中尺度垂向浮力通量添加到温度方程和盐度方程；基于状态方程，推导亚中尺度垂向温度通量和盐度通量表达式，最终得：
43、 (13)；
44、(14)；
45、 (15)；
46、其中，为模式中的位温；为流速；为位温梯度；为经验系数；为水平梯度；为浮力；为涡扩散系数；为分子扩散系数；为温度强迫项；为温度耗散项；为盐度；为盐度梯度；为强迫项；为盐度耗散项。
47、本专利技术所带来的有本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种涡分辨率海洋模式亚中尺度垂向浮力通量的参数化方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述涡分辨率海洋模式亚中尺度垂向浮力通量的参数化方法，其特征在于，所述步骤1中，“锋生调控下的混合-过渡层不稳定”生成机制为：中尺度涡旋的发展在涡旋边缘能够提供较强的中尺度背景拉伸，在中尺度拉伸的影响下又通过锋生过程使得上层海洋的密度锋面得以强化，锋面累积的有效位能增加；进一步，斜压不稳定过程发展，通过垂向浮力做功释放锋面储存的有效位能，并转化为亚中尺度动能，产生系列亚中尺度小涡旋形态，对应着向上的垂向浮力通量。
3.根据权利要求1所述涡分辨率海洋模式亚中尺度垂向浮力通量的参数化方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：
4.根据权利要求1所述涡分辨率海洋模式亚中尺度垂向浮力通量的参数化方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：
5.根据权利要求1所述涡分辨率海洋模式亚中尺度垂向浮力通量的参数化方法，其特征在于，所述步骤4中，为了将亚中尺度垂向浮力通量参数化嵌入涡分辨模式，需要分别将亚中尺度垂向浮力通量添加到温度方程和盐度方程；基
...【技术特征摘要】
1.一种涡分辨率海洋模式亚中尺度垂向浮力通量的参数化方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述涡分辨率海洋模式亚中尺度垂向浮力通量的参数化方法，其特征在于，所述步骤1中，“锋生调控下的混合-过渡层不稳定”生成机制为：中尺度涡旋的发展在涡旋边缘能够提供较强的中尺度背景拉伸，在中尺度拉伸的影响下又通过锋生过程使得上层海洋的密度锋面得以强化，锋面累积的有效位能增加；进一步，斜压不稳定过程发展，通过垂向浮力做功释放锋面储存的有效位能，并转化为亚中尺度动能，产生系列亚中尺度小涡旋形态，对应着向上的垂向浮力通...
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