[发明专利]一种基于垂向混合坐标的海洋内波模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于垂向混合坐标的海洋内波模拟方法：(1)构建基于垂向混合坐标的非静力海洋模式控制方程组；(2)根据构建的基于垂向混合坐标的非静力海洋模式控制方程组建立基于垂向混合坐标的非静力海洋模式；并且，获取内波相关数据，对所建立的基于垂向混合坐标的非静力海洋模式进行初始化处理；(3)采用建立的基于垂向混合坐标的非静力海洋模式模拟内波，获得内波数据；(4)对获得的内波数据进行分析，用于对海洋内波进行预报。本发明把z坐标和σ坐标统一到一个非静力数值模型中，在保持各自优点的同时，弥补各自的缺陷，可提高利用非静力海洋数值模式模拟预报内波的精度。

技术领域

本发明涉及海洋环境工程，特别涉及一种基于垂向混合坐标的海洋内波模拟方法。

背景技术

内波是发生在海水密度层结稳定的海洋中的一种波动，是海洋中普遍存在的一种动力学过程，其对海洋混合、全球的温盐环流起着重要作用，对海洋生态环境、海洋工程和军事等有重大影响。目前通常利用非静力海洋模型对海洋内波进行数值模拟，分析物理机制。但非静力近似计算目前只应用于σ坐标和z坐标，其使用范围受到限制。常用的z坐标，虽然对海洋上混合层和密度跃层刻画精度较高，但其在海底边界层存在阶梯效应，会造成虚假混合和虚假流动，使通量失衡。常用的σ坐标，虽然能很好地拟合复杂地形，但在陡峭的陆坡地形会造成斜压梯度力误差。

发明内容

本发明的目的在于避免使用单一垂向坐标系的非静力海洋模型模拟内波时难以模拟底部边界层或在陡峭地形和粗分辨率时造成斜压梯度力误差的问题，提供一种在z坐标和σ坐标组成的垂向混合坐标系下模拟海洋内波的方法，本发明方法把z坐标和σ坐标统一到一个非静力数值模型中，在保持各自优点的同时，弥补各自的缺陷，可提高利用非静力海洋数值模式模拟预报内波的精度。

本发明所采用的技术方案是：一种基于垂向混合坐标的海洋内波模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，构建基于垂向混合坐标的非静力海洋模式控制方程组；

步骤2，根据步骤1构建的基于垂向混合坐标的非静力海洋模式控制方程组建立基于垂向混合坐标的非静力海洋模式；并且，获取内波相关数据，对所建立的基于垂向混合坐标的非静力海洋模式进行初始化处理，其中，所述的内波相关数据包括研究区域的地形、温度、盐度、密度、风场、降水和正压潮；

步骤3，采用步骤2所建立的基于垂向混合坐标的非静力海洋模式模拟内波，获得内波数据，其中，所述的内波数据包括各方向流速、海温、密度、动压和水位、湍动能、湍流混合长度、垂向湍粘性系数和垂向湍扩散系数；

步骤4，对步骤3获得的内波数据进行分析，用于对海洋内波进行预报。

其中，步骤1进一步包括：

基于任意因变量在z坐标系和垂向混合坐标系间的转换关系，得到基于垂向混合坐标的非静力海洋模式控制方程组，所述基于垂向混合坐标的非静力海洋模式控制方程组包括连续性方程、动量方程、温盐方程、湍方程和状态方程：

(1)连续性方程有两种形式，如式(1)和式(2)所示：

式中，u为x方向的速度分量；v为y方向的速度分量；w为z坐标系中z方向的速度分量；ω为垂向混合坐标系中垂向速度分量，ω＝w-(s_x+η_x)u-(s_y+η_y)v-(s_t+η_t)；η为水位；s为垂向混合坐标系中的垂向坐标；k为垂向网格的编号；x、y为水平坐标，z为z坐标系中的垂向坐标，t为时间；

(2)动量方程包括水平动量方程和垂向动量方程，所述水平动量方程如式(3)和式(4)所示，所述垂向动量方程如式(5)所示：