大气所研发的全球10km涡分辨海洋模式完成初步模拟实验

2011-9-23 13:03 来源: 中国科学院
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  中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(IAP/LASG)自主研发的全球10km涡分辨海洋模式LICOM,在国家超级计算天津中心的“天河一号”超级计算机上,利用千核成功地进行了模拟实验,并表现出令人满意的模拟性能。

  海洋中天气尺度涡旋空间尺度大约在50-200公里左右,通常称之为“海洋中尺度涡旋”(mesoscale eddy)。理论和观测研究表明,海洋中尺度涡旋在海洋环流中具有重要的作用,从能量角度来看中尺度涡旋所具有的动能显著大于大尺度环流。由于中尺度涡旋水平尺度较小,通常海洋环流模式的水平分辨率至少要达到10km才能比较有效地刻画中尺度涡旋的基本特征,这类模式又被称作“涡分辨海洋模式”(eddy-resolving model)。目前,涡分辨率海洋环流模式的研发和应用已经在物理海洋和气候研究中起到了越来越重要的作用,美国、日本、德国等国家的研究中心也分别发展了各自的涡分辨海洋模式。

  IAP/LASG气候系统模式研发团队,在中等分辨率海洋模式LICOM2.0(LASG/IAP Climate system Ocean Model, version 2.0)基础上,将水平分辨率提高到10km,垂直方向增加到55层,改进了模式的水平黏性/扩散方案和正斜压分解算法,优化了程序的数据结构和并行算法,实现了二维MPI剖分和OpenMP混合并行,初步完成了一个涡分辨海洋海洋。模式在中科院大气所的计算机上完成了10年的Spinup试验后,成功地移植到国家超级计算天津中心的“天河一号”超级计算机上,利用其上千核的计算,完成了2000-2007年卫星观测风应力和NCEP海表热通量强迫下的模拟试验。

  初步分析发现,模式很好地重现了观测的中尺度涡旋的气候特征,如模拟的海面高度标准差表明,中尺度涡旋活跃区域主要位于各个洋盆的西边界流区域、南极绕流区以及副热带逆流区域(图1)。模式可以很好地模拟黑潮与中国近海环流的关系,以及中国近海地水团性质,例如黑潮可以入侵南海和黄海形成了台湾暖流和黄海暖流(图2a),东海夏季的冷水团等(图2b)。同时水平和垂直分辨率的提高,模式比以前的版本更好地赤道流场的垂直结构,例如模式可以模拟出赤道中层流(EIC)、南赤道次表层逆流(SSCC)和北赤道次表层逆流(NSCC)(图3)。

图1 模拟(上)和观测(下)的海面高度异常标准差,单位:cm

图2(上)模拟的2月份中国近海海表温度SST,(下)模拟的七月份海温沿35°N的纬度-深度剖面,单位:°C

图3 年平均纬向流沿155oW的纬度-深度剖面,单位:ms-1