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申请/专利权人：中国海洋大学

摘要：本发明公开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，属于海洋与大气数值模拟技术领域，包括如下步骤：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；步骤2、推导并建立亚中尺度垂向浮力通量的参数化理论模型；步骤3、提出将亚中尺度垂向浮力通量参数化模型嵌入涡分辨率海洋模式的方法；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，实现对海洋模式模拟效果的改进。本发明可以应用于涡分辨率海洋模式，对亚中尺度过程垂向浮力通量进行次网格参数化表示，能够有效地改进混合层模拟偏深问题，进而提高模式对海洋上层密度分布的模拟能力。

主权项：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：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；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；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；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；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；所述步骤2的具体过程为：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： 其中，VBF为亚中尺度垂向浮力通量；为亚中尺度有效位能释放率；PEsm为锋面上存储的亚中尺度有效位能；t为时间；～为近似为符号；Δt1为亚中尺度斜压不稳定发展的特征时间尺度；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： 其中，b′为锋面上的亚中尺度浮力异常；N为海洋背景层结；Lf为亚中尺度锋面的水平特征尺度；为水平梯度；bsm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Lf～Ld＝NHf,Lf为亚中尺度锋面的水平特征尺度；Ld为罗斯贝变形半径；H为混合层厚度；f为科氏参数；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： 取平方得： 其中，α为背景拉伸率；为锋生过程发生的时间尺度；整理得： 其中，C0为经验系数；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Δt2＝Δt1～f-1，则有： 其中，C1为新的经验系数；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： 其中，ξ·为垂向结构函数；z为深度；exp·为以e为底的指数函数；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： 所述步骤3的具体过程为：将亚中尺度浮力通量作为额外项加入密度方程中,得： 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；F为浮力强迫项；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： 进一步，考虑到尺度感知和模式稳定，通过引入参考系数B和模式水平格点距离S，得到： 其中，C为参考系数；τ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；B为参考系数；f0为参考纬度的科氏参数；L0为该参考纬度上亚中尺度不稳定发生的特征空间尺度。

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