[发明专利]一种高分辨率南海三维斜压环流模型及其构建方法与应用

权利要求书

1.一种高分辨率南海三维斜压环流模型，其特征在于，包括：

用于分析南海北部陆架区浮游植物的时空分布规律及其控制机制且开边界条件由南海三维斜压环流模型提供的三维物理-生态耦合模型，所述三维物理-生态耦合模型由所述一维物理-生态耦合模型嵌套在南海三维斜压环流模型构成，其中：

所述一维物理-生态耦合模型由一维混合层模型中耦合NPZD型生态系统动力学模型而成，

所述南海三维斜压环流模型基于Princeton Ocean Model模型，所述Princeton OceanModel模型嵌套有用于计算海洋内部的垂向湍流混合过程的Mellor-Yamada2.5阶湍流闭合子模型，水平方向的混合过程采用Smagorinsky参数化方案计算，Princeton Ocean Model模型水平方向采用Arakawa C型交错网格，垂向采用Sigma随底坐标，模型水平方向采用显式差分格式，垂向采用隐格式，并采用模态分裂技术进行数值求解。

2.如权利要求1所述的模型，其特征在于，所述一维混合层模型保留原始PrincetonOcean Model模式中垂向动力过程，一维混合层模型基本控制方程包括：

其中，t、z为时间和水深参数；U和V分别为水平x和y方向的流速分量；P为压力；T和S分别为温度和盐度；g为重力加速度；ρ为水体密度；f为科氏系数；K_M和K_H分别为用于动量方程的垂向湍流涡动粘滞系数和用于温盐等物质的扩散方程的湍流扩散系数；χ为湍流混合系数和湍流涡动粘滞系数背景值；Q为温度控制方程中的热通量项，包括太阳短波辐射、长波辐射以及感热和潜热通量。

3.如权利要求2所述的模型，其特征在于，所述垂向湍流涡动粘滞系数K_M和湍流扩散系数K_H由Mellor-Yamada2.5阶湍流闭合模式解得，所述Mellor-Yamada2.5阶湍流闭合模式的基本控制方程为：

其中：q²为二倍的湍动能；l为湍流长度尺度；W为壁面近似函数；Kq为垂向湍流扩散系数；其他相关参数均为经验常数，由此，刻画垂向动量和温盐等物质混合过程的湍流涡动粘滞系数和扩散系数可以表示为：

K_M＝qlS_M

K_H＝qlS_H

其中，S_M和S_H是与理查森数(GH)有关的稳定性函数；ρ₀为参考密度；N²为浮力频率。

4.如权利要求1所述的模型，其特征在于，所述一维混合层模型嵌套有基于Monin-Obukhov相似理论块体公式计算法COARE bulk algorithm 3.0的热通量模块，所述通量模块通过海表面温度、海面气温、相对湿度、大气压和风速作为气象参数来计算海气之间的动量和热量交换通量。

5.如权利要求1所述的模型，其特征在于，所述NPZD型生态系统动力学模型包括四个状态变量：营养盐N、浮游植物P、浮游动物Z和碎屑物质D，叶绿素浓度Chl.a作为一个导出变量，其值通过系数R由浮游植物浓度计算得到，计算公式为：R＝chl.a/P。

6.如权利要求1所述的模型，其特征在于，所述一维物理-生态耦合模型中各状态变量的控制方程为：

其中，C为各状态变量的浓度，K_H代表湍流涡动扩散系数，SMS为每个状态变量的源汇项，上述状态变量的单位均为mmol N m^-3，叶绿素浓度单位为mg m^-3。