本文介紹了一個(gè)采用兩時(shí)間層有限差分格式的、Boussinesq近似的、自由表面、模態(tài)分離的、采用地形坐標(biāo)系的原始方程三維海洋環(huán)流數(shù)值模式（MASNUM）平臺(tái)的建立。本文從完整的地球流體力學(xué)控制方程組出發(fā),在Boussinesq假定和靜力學(xué)假定下,詳細(xì)推導(dǎo)了地形坐標(biāo)下雷諾平均的海水運(yùn)動(dòng)控制方程組,以此建立了模式的數(shù)學(xué)模型。數(shù)值算法上,內(nèi)外模態(tài)的時(shí)間差分均采用了兩時(shí)間層的歐拉前后差分格式（FB）,空間采用Arakawa-C交錯(cuò)網(wǎng)格;為了抑制由于非線性作用產(chǎn)生的短波擾動(dòng)的增長(zhǎng),構(gòu)造了在任意海陸分布下保持計(jì)算區(qū)域內(nèi)水體體積守恒的空間平滑算法。斜壓梯度力項(xiàng)的計(jì)算采用三次樣條插值的密度雅克比式算法,并對(duì)原算法中的調(diào)和平均進(jìn)行了修正,進(jìn)一步減小了誤差；對(duì)現(xiàn)有垂向速度的診斷算法中存在的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的檢討,證明在當(dāng)前模式框架下難以找到一種完美的垂向速度計(jì)算方案。本文還對(duì)主要熱力學(xué)變量如海水狀態(tài)方程和靜力穩(wěn)定度的算法進(jìn)行了討論和更新；在前人工作基礎(chǔ)上對(duì)常用的三大類共18種應(yīng)用于環(huán)流模式的運(yùn)動(dòng)學(xué)開(kāi)邊界條件進(jìn)行了歸納、對(duì)其構(gòu)造算法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo),并將其作為子程序編入模式,供不同數(shù)值實(shí)驗(yàn)調(diào)用。模式性能檢驗(yàn)方... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院海洋研究所)山東省

【文章頁(yè)數(shù)】：234 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【文章目錄】：
ABSTRACT
摘要
第1章 引言
    1.1 國(guó)內(nèi)外海洋環(huán)流模式發(fā)展概述
        1.1.1 海洋環(huán)流模式的發(fā)展歷程
        1.1.2 國(guó)內(nèi)的環(huán)流模式發(fā)展簡(jiǎn)介
    1.2 工作目的和意義
    1.3 流體力學(xué)數(shù)值算法的研究現(xiàn)狀
        1.3.1 時(shí)間差分的隱式和顯式
        1.3.2 時(shí)間差分的兩層和三層格式
        1.3.3 雙曲型方程的特點(diǎn)與空間離散格式
        1.3.4 通量形式與守恒型方程
        1.3.5 水平交錯(cuò)網(wǎng)格
        1.3.6 垂向坐標(biāo)網(wǎng)格
    1.4 MASNUM海洋環(huán)流模式的主要數(shù)值特點(diǎn)
    1.5 MASNUM海洋環(huán)流模式的創(chuàng)新點(diǎn)
第2章 海洋運(yùn)動(dòng)控制方程組
    2.1 海洋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)
    2.2 原始方程模型的含義
    2.3 z坐標(biāo)下靜壓假定的、Boussinesq近似的海水運(yùn)動(dòng)控制方程組
        2.3.1 質(zhì)量守恒方程
        2.3.2 動(dòng)量方程組
        2.3.3 位勢(shì)溫度方程
        2.3.4 鹽度方程
        2.3.5 預(yù)報(bào)變量的垂向邊界條件
    2.4 雷諾平均的海水運(yùn)動(dòng)控制方程組
    2.5 地形坐標(biāo)下的雷諾平均海水運(yùn)動(dòng)控制方程組
        2.5.1 σ坐標(biāo)介紹及變換方法
        2.5.2 σ坐標(biāo)下的連續(xù)性方程
        2.5.3 σ坐標(biāo)下的動(dòng)量方程
        2.5.4 σ坐標(biāo)下的溫鹽方程
        2.5.5 σ坐標(biāo)下的垂向邊界條件
        2.5.6 守恒形式的海水運(yùn)動(dòng)方程組
        2.5.7 海水狀態(tài)方程
        2.5.8 靜力穩(wěn)定度算法
        2.5.9 位溫與現(xiàn)場(chǎng)溫度的轉(zhuǎn)換算法
        2.5.10 海面通量
第3章 地形坐標(biāo)系下的斜壓梯度力算法
    3.1 為什么地形坐標(biāo)下難以準(zhǔn)確計(jì)算斜壓梯度力
    3.2 密度的三次樣條重構(gòu)
        3.2.1 曲面積分
        3.2.2 曲線積分
        3.2.3 密度和深度的三次重建
        3.2.4 邊界處理
        3.2.5 垂向積分
    3.3 對(duì)三次樣條插值密度雅克比算法的討論
    3.4 算法性能檢驗(yàn)
        3.4.1 線性密度層結(jié)分布
        3.4.2 雙曲型密度垂向分布
    3.5 減小斜壓梯度力計(jì)算誤差的方法討論
第4章 模態(tài)分離
    4.1 海洋波動(dòng)的特點(diǎn)——為什么要進(jìn)行模態(tài)分離
    4.2 外模態(tài)運(yùn)動(dòng)方程組的導(dǎo)出
    4.3 模態(tài)分離的數(shù)值算法
    4.4 兩時(shí)間層外模態(tài)計(jì)算格式的穩(wěn)定性
    4.5 外模態(tài)對(duì)三維流速的調(diào)整——為什么要進(jìn)行流速調(diào)整
    4.6 垂向速度的誤差分析及修正算法
    4.7 垂向速度修正導(dǎo)致的溫鹽平流項(xiàng)的計(jì)算偏差
第5章 MASNUM環(huán)流模式的數(shù)值計(jì)算體系
    5.1 MASNUM環(huán)流模式的時(shí)間交錯(cuò)差分算法與蛙跳格式的特性分析
    5.2 體積守恒的空間平滑算法
    5.3 內(nèi)模態(tài)預(yù)報(bào)變量的差分方程組
    5.4 外模態(tài)預(yù)報(bào)變量的差分方程組
    5.5 垂向擴(kuò)散項(xiàng)的隱式處理
    5.6 科氏力項(xiàng)的數(shù)值特性
    5.7 積分時(shí)間步長(zhǎng)的確定
    5.8 模式流程圖
    5.9 次網(wǎng)格作用參數(shù)化（水平渦旋、波致混合、湍流）
第6章 開(kāi)邊界條件的設(shè)置
    6.1 開(kāi)邊界條件研究現(xiàn)狀
    6.2 常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)開(kāi)邊界條件的構(gòu)造方法
        6.2.1 輻射邊界條件
        6.2.2 特征線法（HOC）
        6.2.3 松弛法（relaxation method）
    6.3 溫鹽開(kāi)邊界條件
    6.4 不同開(kāi)邊界條件的性能比較
        6.4.1 Chapman,1985
        6.4.2 Roed and Cooper,1987
        6.4.3 Paland Matano,1998
        6.4.4 Jensen,1998
        6.4.5 Palma and Matano,2000
第7章 中國(guó)近海潮汐算例
    7.1 模型設(shè)置
    7.2 模擬結(jié)果
第8章 黃海冷水團(tuán)模擬
    8.1 模型設(shè)置
    8.2 模擬結(jié)果與觀測(cè)的比較
第9章 MASNUM環(huán)流模式與POM模式的對(duì)比
    9.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
    9.2 時(shí)間序列比較結(jié)果
第10章 結(jié)論和未來(lái)工作展望
參考文獻(xiàn)
作者簡(jiǎn)介
已發(fā)表論文
致謝


【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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