全球海流模擬(HYCOM)
發佈日期 :
2023-10-27
胡凱程 , kchu@thl.ncku.edu.tw , (06)2371938 #422
臺灣於航運、漁業與民生安全均與海洋有密切關係,故海流資訊尤為重要。海流資訊的掌握更是提升海洋資源與海洋能源發展之重要環節,舉凡深層海水、湧昇流、海洋牧場等海洋資源開發以及海流發電、潮流發電、溫差發電等海洋能源發展,均與海流動態息息相關。
臺灣周圍海域流況較為複雜,夏季海域存在黑潮及南海海流;冬季海域則分布黑潮及中國沿岸流。除呈現強盛的海流特性外,亦帶來隨季節變動的溫度與鹽度海水。除洋流與季風影響海流動向外,潮汐亦為主導海流之動力,在臺灣海峽的南北兩端開口,常年有潮波的無潮點存在,導致潮流的流速普遍甚強勁,洋流與強勁潮流的交互影響結果,甚至導致部分近岸海域的海流特性產生異常的特殊變化。此外,季節變化所造成的溫差與河流淡水排放造成的密度差以及颱風短時劇烈擾動。
要合理描述上述多尺度、多系統、多物理的複雜三維海流,需要具備對台灣海域相當的現場經驗及數值模擬能力。成大團隊乃應用國際先進HYCOM海流模式進行台灣海域海流問題的分析、探討及評估。研究成果介紹如下:
臺灣周圍海域流況較為複雜,夏季海域存在黑潮及南海海流;冬季海域則分布黑潮及中國沿岸流。除呈現強盛的海流特性外,亦帶來隨季節變動的溫度與鹽度海水。除洋流與季風影響海流動向外,潮汐亦為主導海流之動力,在臺灣海峽的南北兩端開口,常年有潮波的無潮點存在,導致潮流的流速普遍甚強勁,洋流與強勁潮流的交互影響結果,甚至導致部分近岸海域的海流特性產生異常的特殊變化。此外,季節變化所造成的溫差與河流淡水排放造成的密度差以及颱風短時劇烈擾動。
要合理描述上述多尺度、多系統、多物理的複雜三維海流,需要具備對台灣海域相當的現場經驗及數值模擬能力。成大團隊乃應用國際先進HYCOM海流模式進行台灣海域海流問題的分析、探討及評估。研究成果介紹如下:
HYCOM海流模式
HYCOM係由美國海軍海洋局所運作之三維海洋數值模式,該模式源自邁阿密等密度坐標海洋模式MICOM。HYCOM主要改善了 MICOM 的混合層在垂直坐標上的解析度與模式執行計算之效率。HYCOM在垂直方向採用混合坐標系統 (包含等密度坐標、Sigma坐標以及z坐標)。在開放的海洋中,垂直坐標取等密度坐標,上層之海洋混合層中,垂直坐標以平滑的方式到 z 坐標,而在淺水區域,垂直坐標則採用Sigma坐標。在極淺的區域,其垂直坐標又回到了等密度坐標如圖所示。
不同型態之垂直坐標系統
HYCOM混合坐標系統結合了 z 坐標、Sigma坐標和等密度坐標的優點,其優勢相對於傳統的等密度坐標之海洋模式的適用範圍外,亦可因應不同區域特性來使用不同的垂直坐標系統,此外,HYCOM也進而改良了MICOM在淺水區域垂直分層不足的缺點,提升海洋模式的模擬能力。
關鍵數值技術
與傳統海流模式多採用等密度坐標方式模擬不同,HYCOM透過ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian)數值方法包含LVD (Lagrangian Vertical Direction)針對全域對下一時間步進行求解與EVD (Eulerian Vertical Direction)透過求解連續方程,來確認跨越坐標系統之速度。HYCOM使用結構性網格系統,可透過巢狀網格(Nesting)設置方式,來兼顧大範圍與區域範圍模擬。
海洋垂直混合是海洋混合中的重要部分,HYCOM模式提供Kraus-Turner 混合層模型(KT)、Price-Weller- Pinkel 動力不穩定模型(PWP)、Mellor-Yamada 紊流閉合模型(MY)、Goddard 混合模型(GISS)、K-Profile 參數化模型(KPP)可供組合使用及優選。
海洋垂直混合是海洋混合中的重要部分,HYCOM模式提供Kraus-Turner 混合層模型(KT)、Price-Weller- Pinkel 動力不穩定模型(PWP)、Mellor-Yamada 紊流閉合模型(MY)、Goddard 混合模型(GISS)、K-Profile 參數化模型(KPP)可供組合使用及優選。
成果展示
該模式數值模式計算範圍
包含西太平洋、東海、南海等海域,其範圍介於東經98.95度~148.88度,北緯1.99度~40.94度,經緯向的格點間距約為0.08度,水平網格數為625x487,垂直方向則分為41層,如圖所示
模式範圍
水深地形數據採用GLBb0.08的水深資料
初始場取自WOA13的資料作為初始溫度及鹽度資料;模式邊界條件由全球 (GLBt0.72) 模式的結果內插而來,整體模式執行程序如圖所示。
模式執行程序
將HYCOM模擬結果
與近即時全球表面海流(OSCAR)月平均值比較,比對結果右圖所示,模式海表面月平均流場模擬結果可以合理描述台灣海域表面流場特徵。
2018年3月之月平均的SSV (m/s)比較- (左OSCAR衛星資料)
(右HYCOM模擬)
垂直剖面驗證部分
與Argo剖面浮標資料進行比對驗證,比對結果如圖所示。由圖可知模式在垂直剖面模擬有一定的準確度,整體模擬結果可以合理說明本團隊HYCOM海流模擬可以用來描述台灣周圍海域三維海流特性。
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