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【海洋数值预报】海洋数值的简单认识

时间:2023-04-11 07:41:44

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【海洋数值预报】海洋数值的简单认识

一、海洋预报的方法

1、采用统计方法开展海洋预报

统计方法:通过对长期的观测数据进行统计分析,构建统计模型进行海洋预报的方法。

优点:简单,实用

缺点:无法对极端的海洋现象进行准确预报

2、利用动力学方法开展海洋预报

优点:可以科学的描绘出海水运动规律

缺点:要解出复杂动力学方程的解较为困难

二、海洋数值模式

1、数值方法:海洋数值模式的计算技术基础

2、大多数数值方法的基本思想:时空坐标中连续的物理场(如速度、温度和盐度场等),有有限个离散点上值的集合来代替,按一定方式建立起这些值的代数方程组并进行求解,以获得物理量场的近似解。

存在问题:数值方法是一种离散的近似计算方法,影响计算的精度和效率,在性质上还会改变海洋流体的特征。

例如:产生计算耗散、计算频散等伪物理效应。

3、海洋数值模式的物理理论基础:包含物理意义的偏微分方程。

因为:描述海水运动状态的动力学方程是一组偏微分方程组。研究海水的运动状态其实就是在分析在初边界条件下偏微分方程组解的变化特征。

存在问题:海水运动基本方程为非线性偏微分方程,非线性偏微分方程的非线性项也是造成海洋数值预报结果误差的重要原因之一。

例如:非线性项不正确的离散方式会产生非线性计算不稳定现象。

三、海洋数值预报

定义:以过去和当前的海水状态为初始状态,充分考虑海水边界处所受各类作用,基于计算机运行海洋数值模式,数值求解描述海洋演变规律的海水运动方程组,并结合观测和同化等手段预报未来海洋现象和状态的一种重要方法。

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四、海洋数值模式的建立

1、选择或建立数学模型

根据研究对象选择或建立数学模型,如︰针对海浪、潮汐、风暴潮、海洋环流等海洋现象,采用量纲分析的方法对海水运动原始方程组进行简化,建立描述这些海洋现象的动力学方程组。

2、建立离散模型

选择合适的计算网络、差分方法

计算网络:结构网络,非结构网络

差分方法:有限差分方法,有限元方法,有限体积法

根据选取的网格配置和差分方案对基本方程组进行数值离散,建立代数方程组;并选择合适的代数方程组求解方法进行求解,如,可以采用直接法、间接法进行求解。

3、编写程序代码

写程序代码;构建海洋数值模式,一般在Linux平台下进行调试、运算。

4、结果验证比对

海洋数值模式计算出的结果需要与实验、观测结果进行比对:

· 可采用潜浮标、海洋调查船等测量的资料进行比对;

· 大面积表层海域计算结果可以与雷达、卫星遥感资料进行比对;

· 理想条件下的计算结果可以与实验室水槽、水池的物理模拟结果验证比对。

5、改进完善模式

根据比对发现的问题,针对性的修改构建的数学模型和采用的数值方法:可修改物理过程参数化方案、网格配置方案和差分方案等。

海洋数值模式的建立是理论设定、数值计算和测算验证三者迭代的最终结果

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