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TIME3D 模式的进一步发展 及其 与 WACCM-X 模式的耦合

TIME3D 模式的进一步发展 及其 与 WACCM-X 模式的耦合. 任志鹏. 电离层理论模式在电离层研究中扮演了重要角色 我们研究室已经开发的电离层热层模式： 电离层发电机模式 : TIDM-IGGCAS-I TIDM-IGGCAS-II 电离层理论模式 : 1-D ionospheric Model TIME-IGGCAS TIME3D-IGGCAS 电离层 - 热层耦合模式 : GCITEM-IGGCAS 我赴美的合作研究项目就是那 TIME3D 结合到 WACCM-X 模式 中. TIME3D 模式. 出于与 GCITEM 模式耦合的需要开发

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TIME3D 模式的进一步发展 及其 与 WACCM-X 模式的耦合

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Presentation Transcript

  1. TIME3D模式的进一步发展及其与WACCM-X模式的耦合TIME3D模式的进一步发展及其与WACCM-X模式的耦合 任志鹏

  2. 电离层理论模式在电离层研究中扮演了重要角色电离层理论模式在电离层研究中扮演了重要角色 • 我们研究室已经开发的电离层热层模式： • 电离层发电机模式: • TIDM-IGGCAS-I • TIDM-IGGCAS-II • 电离层理论模式: • 1-D ionospheric Model • TIME-IGGCAS • TIME3D-IGGCAS • 电离层-热层耦合模式: • GCITEM-IGGCAS • 我赴美的合作研究项目就是那TIME3D结合到WACCM-X模式中

  3. TIME3D模式 • 出于与GCITEM模式耦合的需要开发 • 基于TIME二维中低纬电离层模式。大部分参数和经验模型直接采用TIME模式的成熟结果，降低开发难度和工作量。 • 引入APEX坐标系，实现真实地磁场下模拟 • 把二维扩展成三维，引入水平电动力学漂移，实现“全球”（中低纬）模拟。 • 调整网格和算法，降低计算量，提高运行速度。

  4. TIME3D-IGGCAS模式结构框图 Nighttime ionization Secondary ionization Primary ionization e, ion heating Mass continuity equations Energy equations Chemistry Electridynmic drift MSIS Momentum equations HWM

  5. 地磁场作为电离层的背景磁场，对电离层各种物理参数的分布有着决定性的影响。以往模拟中经常采用的偶极子地磁场近似过于粗糙和理想化，不能很好的反应真实地磁场的影响。因而，在电离层理论模式中引入非偶极地磁场，实现真实地磁场下的电离层数值模拟就很重要。地磁场作为电离层的背景磁场，对电离层各种物理参数的分布有着决定性的影响。以往模拟中经常采用的偶极子地磁场近似过于粗糙和理想化，不能很好的反应真实地磁场的影响。因而，在电离层理论模式中引入非偶极地磁场，实现真实地磁场下的电离层数值模拟就很重要。 • 地磁APEX坐标系在给定的地磁场中通过追踪磁力线的办法得到某根磁力线的顶点，并用该顶点的位置来标定该根磁力线，能够较好的反映实际的地球磁力线构型，因此广泛被应用于一系列电离层理论模式中。

  6. 电离层基本方程的一般形式 • 偶极场下的形式

  7. APEX坐标系下的基本方程 • 连续性方程为： • 动量方程 • 能量方程

  8. NmF2 at a low solar flux level

  9. TIME3D 能够独立使用，也可以作为GCITEM模式的中低纬电离层模块运行 TIME3D-IGGCAS • Neutral parameters • Produce and loss rates • Electric fields • Heating and cooling rates • Ionospheric parameters GCITEM-IGGCAS

  10. GCITEM ionization and e/ion heating Nighttime ionization Secondary ionization Primary ionization e, ion heating Mass continuity equations Energy equations GCITEM chemistry neutral density and wind Chemistry GCITEM drift GCITEM Momentum equations GCITEM wind

  11. WACCM-X：CESM结构

  12. CESM大气模块 HAO/ACD/CGD WACCMX is WACCM with additional physics and further upward extended vertical range through thermosphere/ionosphere (~500km) ACD/CGD Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM) is CAM with additional chemistry/physics and upward extended vertical range into lower thermosphere/ionosphere (~140km) CGD Community Atmosphere Model (CAM) is atmospheric component of CESM NCAR CGD CommunityEarthSystem Model (CESM)

  13. WACCM-X Model Components Green: Thermosphere extension. Red: Ionosphere extension.

  14. WACCM-X模式的电离层 • WACCM-X模式原计划中的电离层模块与TIEGCM类似，采用地理-压力坐标，顶部边界位于500km左右 • WACCM-X是CESM模式的一部分，因此其电离层模块在开发中面临CESM架构的重重限制，进展很不顺利 • 因此HAO在继续开发原有的电离层模块的同时，再开发一个基于磁通管的电离层模块作为备份，并选择了我们研究室的TIME3D模式作为基础

  15. 在美一年的工作 • TIME3D模式的进一步改进和调整 • 与WACCM-X的耦合

  16. TIME3D模式的进一步发展 • 高纬模块 • 动量方程改进 • 底部边界

  17. 1. 高纬模块 • 开磁通管 • 顶部边界: 22000km • 通量边界条件 (目前设为0) • 添加高纬电动力学漂移 • Weimer96 经验模型 • 南北半球的高纬电势可以不对称 • 极光电离 • 计算方法: Fang et al. [2008] • 极光参数: Zhang-Paxton experimental model

  18. NmF2 at a low solar flux level

  19. NmF2 at a high solar flux level

  20. low solar flux level high solar flux level Electron temperature (K) at 320km

  21. 地磁场的影响 • 模拟了真实地磁场(IGRF, r) 和倾斜偶极子地磁场(d)下的电离层 • 利用 δNmF2 描述它们的差异

  22. Latitudinal and longitudinal variations of δNmF2at 14LT

  23. 2. 动量方程

  24. 旧版本中基于稳态假设求解动量方程 • 假设 Vi : ion velocities along magnetic field

  25. 新版本中我们考虑了时变项 • 也就是只假设 • Vi V : ion velocities in time-varying equation • Vi : ion velocities in steady equation • Vi 0 : ion velocities in previous timestep

  26. 如果y ≈ 0 (电离层), • 如果y ≈ 1 (等离子体层), • 但是，我们发现两种情况下模拟的电离层的差异是很小的(<2%)。因此在研究电离层时可以仍然使用稳态求解。

  27. 3. 底部边界 • 旧版本底部边界为130km • 为了与发电机模块耦合, 新版本的底部边界被扩展到90 km • APEX 坐标系的参考高度同步调节到90 km • 除了以上改进，我们还对程序的结构和数值算法做了必要的改进。

  28. 与WACCM-X的耦合

  29. WACCM-X TIME3D Dynamo

  30. TIME3D’s Input • Neutral density: O, O2, N2, H, N • Neutral temperature • Neutral wind: Wsouth, Weast, Wup • Production rate: O+, O2+, NO+, N2+, N+, and photoelectron • Loss rate: O+, O2+, NO+, N2+, and N+ • Electric field: ed1, ed2 • TIME3D’s Output • Density of O+, O2+, NO+, N2+, N+, • Electron and ion temperature • Field-aligned ion velocity

  31. TIME3D 与dynamo模块接口结构 Dynamo ed1 ed2 2D interpolation fieldline integral TIME3D

  32. Integral index: Integral from 90km (lower boundary) to 600km

  33. 与WACCM-X接口 Input/Output to WACCM-X pressure- geographic 1D interpolation altitude- geographic 2D bilinear interpolation TIME3D altitude- APEX

  34. TIME3D 与发电机模块已经实现了双向耦合。 • 与WACCM-X的耦合中，TIME3D的接口已经完成，在等待WACCM-X 的接口完成。 • 利用MSIS 和HWM 模式的输出代替 WACCM-X的输出来检验 TIME3D-Dynamo model.

  35. March NmF2 at a high solar flux level

  36. June NmF2 at a high solar flux level

  37. March NmF2 at a low solar flux level

  38. June NmF2 at a low solar flux level

  39. Vertical drift at dip equator Blue/Red line is for low/high solar flux level.

  40. 小结 • TIME3D的改进 • TIME3D 扩展到高纬 • 底部边检扩展到90 km • 动量方程可以在时变状态下求解 • 与WACCM-X的耦合 • TIME3D 与发电机模块实现了双向耦合 • 与WACCM-X的耦合中，TIME3D的接口已经完成，在等待WACCM-X 的接口完成

  41. 谢谢！

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