随着全球变化与地球系统科学研究的不断深入,地球系统模式的空间分辨率不断提高,同时所涉及数据量可达PB级之多,如何对如此海量的数据进行有效组织、管理并支持地球系统模式计算,已成为国内外学术界面临的难题。全球离散网格作为数据表达和数值计算的基本框架广泛应用于测绘地理信息领域和模式计算领域。但是长久以来这两个领域中的网格各有侧重、互不相通,这在一定程度上影响了学科之间的交叉融合。这就需要发展出一种能够兼顾数据表达和模式计算的全球离散网格,从而克服不同领域使用的全球离散网格的差异,实现学科之间的优势互补。面向数据表达的全球离散网格以格元为基本研究对象,在数据集成和管理方面具有一定的优势;而面向模式计算的全球离散网格则主要研究如何利用格点、格边以及格元三种网格组成要素进行数值求解,侧重于地理过程的演化,使用不同的网格组成要素是两类网格之间最根本的差异。本文立足于数据表达,围绕面向模式计算这一主题,以球面菱形离散网格为基础,设计了能够耦合多网格组成要素的球面复合菱形离散网格。该网格通过综合表达格点、格边以及格元以实现数据表达和模式计算的融合。本文的研究内容与成果主要包括:(1)根据面向数据表达的球面离散网格无法支持模式计算的原因,在球面菱形离散网格的基础上设计了一种能够支持三角形网格、六边形网格表达和支持格点、格边、格元与双中心四种网格组成要素表达的球面复合菱形离散网格,并给出了该网格的详细剖分实现算法,从网格单元和整体分布两方面分析了网格的几何性质分析。(2)在球面复合菱形离散网格的结构之上,设计了能够支持多要素编码的四元码编码方案,实现了地理坐标和四元码之间的相互转换算法。并构建了支持菱形网格组成要素、三角形网格组成要素和六边形网格组成要素的空间邻近搜索算法,构建了球面复合菱形离散网格上多要素之间的拓扑关系。(3)基于多要素表达的网格结构和四元码,设计了球面复合菱形离散的矢量和栅格数据模型,并基于该数据模型构建了矢量和栅格数据的集成算法。(4)梳理了 FVCOM计算前处理和后处理的流程,结合球面复合菱形离散网格的数据集成的方法,设计了网格与FVCOM的集成方法。研究结果表明,本文提出的球面复合菱形离散网格,可以满足数据表达和模式计算的双重需求,克服了目前面向数据表达的全球离散网格无法支持模式计算的局限性,丰富了全球离散网格的理论体系,有助于早日实现构建“数字地球”的战略目标。