해양일반순환모델

Ocean general circulation model

해양 일반 순환 모델(OGCM)은 해양의 물리적 및 열역학적 과정을 설명하는 특정 종류의 일반 순환 모델이다.해양 일반 순환은 수평 공간 척도와 시간 척도로 정의된다(100km와 6개월 [citation needed]정도).그것들은 활성 열역학을 포함하는 3차원 그리드를 사용하여 바다를 묘사하고, 따라서 기후 연구에 가장 직접적으로 적용된다.그것들은 온실 가스 [1]농도 증가에 대한 세계 해양 시스템의 반응을 시뮬레이션하기 위해 현재 이용 가능한 가장 진보된 도구이다.공간 범위, 해상도, 지리적 사실성, 프로세스 세부사항 등의 다양한 정도를 포함하는 OGCM 계층이 개발되었습니다.

역사

1세대 OGCM은 고속 외부 중력파를 제거하기 위해 "강성 뚜껑"을 가정했다.이러한 고속파가 없는 CFL 기준에 따르면 계산 비용이 그리 많이 들지 않는 더 큰 시간 단계를 사용할 수 있습니다.그러나 그것은 쓰나미의 속도를 가진 해조나 다른 파도를 걸러내기도 했다.이러한 가정 하에 Kirk Bryan과 동료 Michal Cox는 복잡한 해안선과 바닥 [2]지형을 가진 전 세계 바다를 위해 GFDL의 2D 모델, 3D 박스 모델, 그리고 가변 밀도를 가진 전체 순환 모델을 개발했습니다.특정 글로벌 지오메트리를 사용한 최초의 애플리케이션은 1970년대 [3]초에 실시되었습니다.Cox는 각 지점에 최대 12개의 수직 레벨이 있는 2° 위도-경도 그리드를 설계했습니다.

해양 모델에 대한 연구가 늘어나면서, 대부분의 해류가 로스비 변형 반경과 같은 횡류 치수를 갖는 중규모 현상이 더 많이 인식되기 시작했다.그러나 수치모델로 이러한 에지와 전류를 분석하려면 중간위도에서 약 20km의 그리드 간격이 필요합니다.이러한 빠른 컴퓨터와 내부 중력파를 제거하기 위해 방정식을 미리 필터링한 덕분에 이러한 주요 전류와 저주파 에디는 해결될 수 있습니다.[4] 예를 들어 네덜란드가 설계한 3층 준지질 모델입니다.한편, 내부 중력파를 유지하는 모델도 있습니다. 예를 들어, 오브라이언과 그의 학생들이 만든 단열층 모형은 내부 중력파를 유지함으로써 이러한 파동을 포함한 적도 및 해안 문제를 해결할 수 있게 되었고, 이러한 [5]파동의 관점에서 엘니뇨를 처음 이해하게 되었습니다.

1980년대 후반에는 광범위한 영역에 걸쳐 약간 분해된 에디를 가진 GFDL [6]공식을 사용하여 관측된 바람과 밀도에 대한 일부 대기 영향을 사용하여 시뮬레이션을 수행할 수 있었다.또한 위도 25°[7] 이남의 남양, [8]북대서양, 북극이 없는 세계해와 같은 충분히 높은 분해능을 가진 시뮬레이션은 최초로 데이터와 나란히 비교했다.1990년대 초, 이러한 대규모 및 에디 해결 가능 모델의 경우, 강체 뚜껑 근사치와 관련된 2D 보조 문제에 대한 컴퓨터 요구사항이 과도해지고 있었습니다.또한 조수의 영향을 예측하거나 인공위성의 높이 데이터를 비교하기 위해 해수면의 높이와 압력을 직접 예측하는 방법이 개발되었습니다.예를 들어, 한 가지 방법은 전체 3D [10]모델의 각 단계마다 많은 작은 단계를 사용하여 자유 표면과 수직 평균 속도를 처리하는 것입니다.Los Alamos 국립 연구소에서 개발한 또 다른 방법은 자유 [11]표면에 대한 암묵적 방법을 사용하여 동일한 2D 방정식을 해결합니다.두 방법 모두 매우 효율적입니다.

중요성

OGCM에는 실제로 해양 경계 플럭스를 공동으로 결정하는 대기, 해빙 및 육지 런아웃과의 동적 결합, 생물 지구 화학적 물질의 전위, 고생대 기후 기록 해석, 자연 변동성과 인공적 차피에 대한 기후 예측, 데이터 동화 및 어류 등 여러 가지 중요한 애플리케이션이 있다.에리와 다른 생물권 관리.[12]OGCM은 어스 시스템 모델에서 중요한 역할을 합니다.그들은 열대의 위도에서 극지방으로 에너지를 운반할 때 열적 균형을 유지한다.해양과 대기 사이의 피드백을 분석하려면, 예를 들어 엘니뇨의[13] 연간 변동과 온실 [14]가스 증가에 따른 해양 열 수송의 주요 패턴의 잠재적 변경 등 다양한 시간 척도로 기후 변화를 시작하고 증폭시킬 수 있는 해양 모델이 필요하다.바다는 표본이 부족한 자연유체계의 일종이기 때문에 OGCM을 사용함으로써 데이터를 공백으로 채우고 기본적인 과정과 그 상호연관성에 대한 이해를 향상시키고 희박한 관찰을 해석하는 데 도움을 줄 수 있습니다.기후 반응을 추정하는 데 더 간단한 모델을 사용할 수 있지만, 지구 [15]기후 변화를 추정하는 데 OGCM만 대기 일반 순환 모델과 함께 사용할 수 있다.

그리드 유형

OGCM에서 사용할 수 있는 그리드 유형은 다양하며 수직 그리드와 수평 [16]그리드가 구분되는 경우가 많습니다.

수평 그리드 유형

대부분의 모델은 다음과 같은 수평 그리드 유형 중 하나를 사용합니다.

유한 차분 그리드

Schematic of three different grids used in OGCMs.
OGCM에서 사용되는 3가지 그리드의 개략도입니다.A, B, C 그리드는 왼쪽에서 오른쪽으로.이들은 유한 차분 방법에 사용됩니다.

OGCM에서는 [17][18]유한 차분 그리드가 가장 일반적인 그리드 유형이며, 그리드에서는 아라카와 그리드가 자주 사용됩니다.A 그리드에서 모든 수량은 단일 포인트에서 계산됩니다.이는 초기 OGCM 중 일부에서만 사용되었지만, 솔루션이 매우 [16]빈약하다는 것을 금방 깨달았습니다.B 그리드에는 온도 그리드 상자의 가장자리에 속도 구성요소가 있습니다.C 그리드는 이러한 속도 구성요소를 u 및 v 성분으로 구분합니다.둘 다 현재도 다른 모델에서 사용되고 있습니다.

이른바 중첩 그리드 모델을 가질 수도 있습니다.중첩 그리드 모델은 일부 부품이 그리드 점의 밀도가 더 높은 유한 차분 그리드의 적응입니다.

유한 요소 그리드

Simple finite element grid around the island of Terschelling.
터셀링 섬 주변의 단순한 유한 요소 격자의 예.이것이 복잡한 해안선을 모델링하는 데 유용한 그리드 유형임을 보여준다.

경우에 따라 모델은 유한 요소 그리드를 사용합니다.여기서 변수는 삼각형 그리드에서 해결됩니다.유한 요소 그리드의 큰 장점은 모델의 영역 전체에 걸쳐 유연한 분해능을 제공한다는 것입니다.이것은 해안의 지도를 쉽게 만들 수 있기 때문에 연안 환경의 흐름을 연구할 때 특히 유용합니다.

스펙트럼 그리드

스펙트럼 그리드는 OGCM에 대해 가장 적게 사용되는 그리드이며, 대기 일반 순환 [19]모델에 널리 사용된다.그것들은 널리 사용되는 대기 모델에 비해 해양의 더 복잡한 경계 조건 때문에 해양 모델링에 사용하기 어렵다.

수직 그리드 유형

Figure showing four types of coordinate systems. Namely a Z, Sigma and two types of isopycnal coordinate systems
수직 z 좌표계를 보여주는 개략도 그림(왼쪽 위).시그마 좌표계(오른쪽 위)와 적층(왼쪽 아래) 및 비적층 등각(오른쪽 아래) 좌표계.

해양 일반 순환 모델에 사용되는 수직 그리드는 종종 대기 순환 모델과 다르다.대기 모델은 등엔트로픽 특성 때문에 압력을 수직 좌표로 사용하는 경우가 많습니다.

Z 좌표계

높이를 좌표로 삼는 z 좌표계는 구현하기 가장 간단한 시스템 유형입니다.그 층들은 종종 깊이가 다양하며, 바다 꼭대기 근처의 층들은 더 깊은 층들보다 얇다.이는 지표면에 가까운 특징이 더 작은 규모에서 발생하기 때문입니다.Z 좌표계는 홀수 디아바틱 [20]혼합으로 인해 하단 경계층과 하향 흐름을 나타내는 데 어려움을 겪습니다.

시그마 좌표

시그마 좌표계에서 하부 지형은 각 수평 그리드 포인트에서 수직층의 두께를 결정한다.Z 좌표계와 마찬가지로 레이어는 내부보다 표면 및/또는 바닥 부근에 더 가깝게 배치되어 있습니다.시그마 좌표를 사용하면 경계 레이어를 더 잘 나타낼 수 있지만 날카로운 하단 지형 [16]피쳐가 평활화되지 않을 경우 압력 구배 오류로 인해 어려움을 겪을 수 있습니다.

등각 모형

등각 모형은 주어진 압력 수준에서 전위 밀도를 수직 좌표로 모델링합니다.따라서 레이어의 두께는 도메인 전체에서 다릅니다.이러한 유형의 모델은 트레이서 전송을 연구할 때 특히 유용합니다.추적기는 종종 일정한 밀도의 선을 따라 움직이기 때문입니다.이소피컬 모델은 레이어드 모델과 미묘한 차이가 있습니다.주요 차이점은 모형이 이등변수의 소실을 허용하는지 여부입니다.레이어드 모델의 경우 이소피널은 소멸되지 않으므로 계산 속도의 이점이 [16][21]있습니다.

하위 그리드 척도 모수화

해양 파라미터화 스킴 패밀리 트리

분자 마찰은 바다에서 지배적인 균형(지질적 및 정수적)을 거의 깨트리지 않습니다.운동학적 점도가 v=10m−6−1 s일 때 Ekman 숫자는 단일성보다 몇 배 작다. 따라서 대규모 해양 운동에는 분자 마찰력이 무시될 수 밖에 없다.분자 열확산도와 염분확산성이 레이놀즈 수치로 이어지는 트레이서 방정식에 대해서도 비슷한 주장이 있는데, 이는 분자확산 시간 척도가 이류 시간 척도보다 훨씬 더 길다는 것을 의미한다.따라서 분자 작용의 직접적인 영향은 대규모에서는 중요하지 않다고 결론지을 수 있습니다.하지만 분자 마찰은 어딘가에 필수적입니다.요점은 해양의 대규모 운동이 원시 방정식의 비선형성에 의해 다른 스케일과 상호작용한다는 것이다.레이놀즈의 접근법에 의해 그것을 증명할 수 있고, 그것은 폐쇄문제로 이어질 것입니다.즉, 레이놀즈 평균화 절차의 각 수준에서 새 변수가 발생한다는 의미입니다.따라서 하위 그리드 스케일 효과를 설명하기 위한 매개변수화 체계가 필요하다.

이것은 서브그리드스케일(SGS) 혼합방식의 계통도입니다.오늘날 사용되고 있는 매우 다양한 체계들 사이에는 상당한 수준의 중복과 상호 관련성이 있지만, 몇 가지 분기점이 정의되어 있을 수 있습니다.가장 중요한 것은 측면 및 수직 하위 그리드 스케일 폐쇄에 대한 접근방식이 상당히 다양하다는 점이다.수치적으로 필요한 소규모 노이즈를 제거하기 위해 필터와 고차 연산자를 사용합니다.이러한 특수한 동적 파라미터화(지형응력, 와두께 확산 및 대류)는 특정 프로세스에 사용할 수 있게 되었습니다.수직에서 표면 혼합층(sml)은 공기-바다 교환에서 중요한 역할을 하기 때문에 역사적으로 특별한 관심을 받아왔다.현재는 Price-Weller-Pinkel,[22] Pacanowksi 및 Philander, 벌크, Mellor-Yamada 및 k-profile parameterization(KPP) 방식 중에서 선택할 수 있는 방식이 매우 많습니다.

적응형(비정수) 혼합 길이 체계는 가로 및 세로 혼합의 파라미터화에 널리 사용된다.수평에서는 응력 및 변형률(Smagroinsky), 격자 간격 및 레이놀즈 수(Re)에 의존하는 매개변수화가 주장되어 왔다.수직에서는 함수안정주파수(N^2) 및/또는 리처드슨수로서의 수직혼합이 역사적으로 우세하다.회전 혼합 텐서 방식은 혼합의 기본 방향의 각도를 고려한 것으로, 주 열전 라인의 경우 이소피널을 따라 혼합하는 것이 다이어피칼 혼합을 지배한다.따라서 혼합의 원리 방향은 엄밀하게 수직도 아니고 순수하게 수평도 아닌 두 가지 혼합물의 공간적으로 가변적입니다.

OGCM 스핀업

OGCM veros에서 [23]얻은 스트림 함수 스핀업.0.5x0.5도의 해상도와 60개의 수직 레이어.통합 256일 만에 스트림 기능의 강도가 어떻게 변화하는지 보여줍니다.

OGCM은 연구된 분지를 현실적으로 표현하기 위해 긴 스핀업 시간을 필요로 한다.스핀업 시간은 모형이 특정 평형에 도달하기 위해 필요한 시간입니다.이 평형은 종종 특정 수의 시뮬레이션 시간 단계에 대해 설정된 임계값 미만이 되는 변수 범위의 시간 경과에 따른 변화가 발생하는 통계 매개변수로 정의된다.글로벌 규모의 OGCM에서는 이 상태에 도달하는 것이 어려운 경우가 많습니다.모델의 평형 상태에 도달하는 데는 수천 년의 모델이 걸릴 수 있습니다.이 평형에 도달하는 속도는 열전선 아래의 느린 프로세스에 의해 결정됩니다.

스핀업 시간 단축

OGCM의 [24][25]스핀업 시간을 단축하기 위한 여러 시도가 있어 왔으며, 모델의 컨버전스를 가속화하기 위해 몇 가지 방법이 제안되었다.초기 조건이 개선되면 모형의 스핀업 시간이 크게 줄어듭니다.하지만, 이것은 특히 심해에서 항상 가능한 것은 아니다.

또 다른 접근법은 왜곡된 물리 [26]접근법이다.이것은 바다가 열전선 위에서 비교적 짧은 시간 척도의 과정을 거쳤다는 것을 근거로 작용한다.반면 열전선 아래의 프로세스는 종종 확산성이 높고 매우 느립니다.이러한 프로세스의 가속은 수송과 열의 혼합을 변경하지 않으면서 국소 열 용량을 감소시킴으로써 달성됩니다.따라서 이러한 모델의 평형 도달 속도는 유사한 분해능을 가진 대기 모델만큼 훨씬 빠르고 효율적입니다.이[27] 방법은 모델의 최종 솔루션에 변경이 거의 없기 때문에 매우 성공적입니다.

또한 지수 외삽을 통해 스핀업 시간을 단축할 수도 있습니다.이 방법에서 온도장과 염분장은 평형값을 [25]향해 기하급수적으로 붕괴한다는 가정 하에 반복적으로 추정된다.이 방법을 사용하면 스핀업 시간을 2~3배 줄일 수 있습니다.

세 번째로 제안된 방법은 야코비안 프리 뉴턴-크릴로프 방법이다.[25]이 방법은 명시적 OGCM의 자코비안으로부터 얻은 매트릭스 벡터 곱을 사용한다.이 방법은 기존의 많은 명시적 OGCM에 적용할 수 있으며 스핀업 시간을 크게 단축할 수 있습니다.

대기순환모델과의 비교

OGCM과 AGCM은 운동 방정식과 수치 기법과 같은 많은 공통점을 가지고 있다.그러나 OGCM에는 몇 가지 고유한 기능이 있습니다.예를 들어, 대기는 그것의 부피 전체에 걸쳐 열적으로 강제되고, 바다는 주로 그것의 표면에서 열적으로 그리고 기계적으로 강제되며, 게다가 해양 분지의 기하학적 구조는 매우 복잡하다.경계 조건이 완전히 다릅니다.해양 모델의 경우, 우리는 해양 내부뿐만 아니라 거의 모든 경계 표면에서 좁지만 중요한 경계층을 고려할 필요가 있습니다.해양 흐름의 이러한 경계 조건은 정의 및 매개변수가 어려우며, 이는 높은 계산 수요를 초래한다.

해양 모델링은 또한 세계 대부분의 중규모 에지의 존재에 의해 강한 제약을 받습니다. 각각 시간과 공간의 스케일은 수주에서 수개월, 그리고 수십에서 수 백 킬로미터입니다.역동적으로, 이러한 거의 지질학적 난류 소용돌이는 해양학적으로 대기의 시놉틱 척도에 대응합니다.그럼에도 불구하고 중요한 차이점이 있다.첫째, 해양 에디는 에너지 평균 흐름에 대한 섭동이 아닙니다.그것들은 열의 극방향 이동에 중요한 역할을 할 수 있다.둘째, 수평 범위가 비교적 작기 때문에 해양 기후 모델은 AGCM과 전체 외부 치수가 동일해야 하며, 에디를 명시적으로 해결하려면 AGCM의 20배 이상의 분해능을 필요로 할 수 있다.

해양에 대한 데이터가 부족하기 때문에 OGCM에는 더 많은 제약이 있습니다.바닥 지형이 특히 부족해요.바다의 큰 파도는 상세하게 지도화되어 있지 않다.위성 고도계로 상세하게 지도화할 수 있는 육지 지형과는 사뭇 대조적이다.이로 인해 경계 조건의 불확실성이 더욱 커집니다.둘째, 대기는 대부분의 범위에 걸쳐 낮은 수준의 기하학적 구조만 변화시킨다.바다는 경계가 뚜렷하고 넓은 육지가 복잡한 경계 조건이다.

고생양학에서의 OGCM

고대 기후와 해양 순환에 미치는 영향 사이의 관계는 널리 연구되어 왔다.이것을 하기 위한 첫 번째 시도들은 종종 프록시로부터 과거의 기후로 추측되는 오늘날의 강제력을 사용했다.바다의 다른 통로의 폐쇄는 수심계의 얇은 선으로 그것들을 막음으로써 시뮬레이션 될 수 있다.예를 들어, 오늘날의 드레이크 [28]통로를 폐쇄하는 것이다.

오늘날에는 더 복잡한 고수면 측정기가 더 나은 대용품과 함께 사용된다.모델의 품질을 테스트하기 위해 Paleoclimate Modeling Intercomparison 프로젝트가 수립되었습니다.

분류

우리는 다른 기준에 따라 해양 모형을 분류할 수 있다.예를 들어, 수직 법칙에 따라 우리는 지리 퍼텐셜, 등각성 및 지형 추종 모델을 가지고 있습니다.수평적 이산화에 따르면, 우리는 비틀리지 않거나 엇갈린 그리드를 가지고 있다.근사법에 따르면 우리는 유한한 차이와 유한한 요소 모델을 가지고 있다.OGCM에는 기본적으로 다음 3가지 유형이 있습니다.

  1. 이상적인 지오메트리 모델: 이상적인 유역 지오메트리를 가진 모델은 해양 모델링에 광범위하게 사용되어 왔으며 새로운 모델링 방법론의 개발에 중요한 역할을 했습니다.이들은 분지 자체를 제공하는 단순한 형상을 사용하는 반면 바람과 부력의 분포는 일반적으로 위도의 단순한 함수로 선택된다.
  2. 유역 척도 모형:OGCM 결과를 관측치와 비교하기 위해서는 이상적인 데이터 대신 현실적인 유역 정보가 필요합니다.그러나 로컬 관측 데이터에만 주의를 기울이면 전체 글로벌 시뮬레이션을 실행할 필요가 없으며 이를 통해 많은 계산 리소스를 절약할 수 있습니다.
  3. 글로벌 모델:이런 종류의 모델은 계산 비용이 가장 많이 드는 모델입니다.결합된 지구 시스템 모델을 구성하기 위한 예비 단계로 더 많은 실험이 필요합니다.

「 」를 참조해 주세요.

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