풍파모델

Wind wave model
NOAA WAVEWatch III (R) 북대서양 120시간 예측
이 주제에 대한 자세한 내용은 풍파를 참조하십시오.

유체 역학에서 풍파 모델링은 해수 상태를 묘사하고 수치적 기법을 사용하여 풍파의 에너지의 진화를 예측하기 위한 노력을 설명한다. 이러한 시뮬레이션은 대기 풍력 강제력, 비선형 파동 상호작용 및 마찰 소산을 고려하며, 지역 바다 또는 지구 대양의 파동 높이, 주기 및 전파 방향을 설명하는 통계를 산출한다. 이러한 파도의 장애물과 파도 예측은 공해상에서의 상업적 이익에 매우 중요하다.[1] 예를 들어, 해운 산업은 작전 계획과 전술적 탈취 목적을 위한 지침이 필요하다.[1]

바다의 풍파 통계를 예측하는 구체적인 사례에는 바다 표면파 모델이라는 용어가 사용된다.

다른 애플리케이션, 특히 연안 엔지니어링은 해안 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 풍파 모델의 개발을 이끌었다.

과거 개요

바다 상태에 대한 초기 예측은 현재 바다 상태, 예상 바람 조건, 가져오기/기간, 파동 전파 방향 사이의 경험적 관계를 바탕으로 수동으로 생성되었다.[2] 또는, 주의 팽창 부분은 원격 관측을 사용하여 빠르면 1920년에 예측되었다.[3]

1950년대와 1960년대에는 파동 진화에 대한 수치적 설명에 필요한 이론적 기초가 많이 마련되었다. 예측을 위해, 바다 상태의 무작위적인 성질은 각각 특정한 방향과 기간을 가진 파도의 에너지가 필요한 만큼의 파동 열차에 기인하는 스펙트럼 분해에 의해 가장 잘 설명된다는 것을 깨달았다. 이 접근방식은 풍랑과 풍랑에 대한 예측을 결합할 수 있게 했다. 바다 상태의 스펙트럼 분해에 기초한 최초의 수치모델은 1956년 프랑스 기상청에 의해 운용되었고, 북대서양에 초점을 맞추었다.[4] 1970년대는 최초의 운영적 반구파 모델인 플리트 수치 해양학 센터에서 스펙트럼 파동 해양 모델(SWOM)을 보았다.[5]

1세대 파형 모델은 비선형 파형 상호작용을 고려하지 않았다. 1980년대 초까지 이용 가능한 2세대 모델은 이러한 상호작용들을 매개변수로 삼았다. 그들은 "커플링된 하이브리드"와 "커플링된 이산형" 제형을 포함했다.[6] 제3세대 모델은 2차원의 해수면 개발과 관련된 모든 물리학을 명시적으로 나타낸다. 국제적인 노력인 WAM(Wave Modeling Project)은 1984-1994년 10년 동안 현대적인 웨이브 모델링 기법의 정교화를 이끌었다.[7] 개선안에는 바람과 파도의 양방향 결합, 위성파 데이터의 동화, 중거리 운용 예측 등이 포함되었다.

풍파 모델은 예측 또는 방해 시스템의 맥락에서 사용된다. 모델 결과의 차이는 바람과 해빙 강제력의 차이, 물리적 프로세스의 매개변수화 차이, 데이터 동화 및 관련 방법 사용, 파동에너지 진화 방정식 해결에 사용되는 수치 기법 등으로부터 발생한다.

일반전략

입력

파도 모델은 바다의 상태를 설명하는 초기 조건 정보를 요구한다. 데이터 동화를 통해 바다나 바다의 분석을 만들 수 있는데, 여기서 부표나 위성 고도계 측정과 같은 관측치가 이전의 예측이나 기후학으로부터 얻은 배경추측과 결합되어 현재 진행 중인 조건에 대한 최선의 추정치가 만들어진다. 실제로 많은 예측 시스템은 관측치의 동화 없이 이전의 예측에만 의존한다.[8]

더 중요한 입력은 풍장에 의한 "강제"이다: 풍속과 방향에 대한 시간 변동 지도. 파형 모델 결과에서 가장 흔한 오류의 원인은 풍장의 오류다. 특히 걸프천, 쿠로시오, 아굴하스 해류와 같은 서쪽 경계 해류나 조류가 강한 해안 지역에서도 해류가 중요할 수 있다. 파도는 또한 해빙과 빙산의 영향을 받고, 모든 운용 중인 세계 파도 모델은 최소한 해빙을 고려한다.

이 수치는 전류가 파동의 높이에 미치는 영향에 대한 예를 보여준다. 이 예는 Journal of Physical Oceanography (vol. 42, 2012년 12월)에 발표된 과학 논문에서 채택되었다. 맨 위 패널은 2008년 10월 28일 오전 3시와 11시, 프랑스 서해안에서 본토에서 20km 떨어진 오우산트섬 주변 해류를 보여준다. 하단 패널은 가변 분해능의 삼각망사를 사용하여 수치 모델 WAVEWASH III(R)로 계산한 파동의 높이와 방향을 보여준다. 오우상트 남쪽의 강한 해류는 썰물 때 측량 부표로부터 파도를 빗나가게 한다.

표현

바다 상태는 스펙트럼으로 묘사된다; 바다 표면은 중첩의 원리를 이용하여 다양한 주파수의 파도로 분해될 수 있다. 파도는 또한 전파방향에 의해 분리된다. 모델 도메인 크기는 지역부터 지구 해양까지 다양할 수 있다. 더 작은 도메인은 관심 영역에서 더 높은 해상도를 제공하기 위해 글로벌 도메인 내에 중첩될 수 있다. 바다 상태는 물리적 방정식에 따라 진화한다 - 파동 전파/접속, 굴절(욕조 및 전류에 의한 굴절), 모래톱 및 파동에너지를 증강하거나 감소시킬 수 있는 소스 기능을 포함한다. 소스 함수는 바람 강제력, 비선형 전달, 화이트캐핑에 의한 소산 등 최소 3개 항이 있다.[6] 바람 데이터는 일반적으로 운영 중인 기상 예보 센터에서 별도의 대기 모델에서 제공된다.

중간 수심의 경우 바닥 마찰의 영향도 추가해야 한다.[9] 바다 저울에서, 부푼 것을 깨지지 않고 버리는 것은 매우 중요한 용어다.[10]

출력

풍파 모델의 출력은 각 주파수 및 전파 방향과 관련된 진폭을 갖는 파형 스펙트럼에 대한 설명이다. 결과는 일반적으로 1/3 큰 파장의 평균 높이인 유의한 파고 높이와 지배 파장의 주기 및 전파 방향에 의해 요약된다.

커플링 모델

풍파는 또한 지표면 근풍과 열량의 마찰력을 통해 대기 성질을 변형시키는 작용을 한다.[11] 양방향 커플링 모델은 파동 활동이 대기권을 피드백할 수 있도록 한다. 아래에 설명한 유럽 중거리 기상센터(ECMWF) 커플링 대기파 예보 시스템은 해수면 거칠기를 제어하는 Charnock 매개변수의 교환을 통해 이를 촉진한다. 이것은 바람의 바다가 형성되거나 소멸될 때 대기는 표면 거칠기의 변화에 반응할 수 있게 해준다.

예

웨이브워치

NOAA의 운용파 예측 시스템은 WAVEWH III(R) 모델을 기반으로 한다.[12] 이 시스템은 약 50km 해상도의 글로벌 영역을 가지며, 약 18km 해상도와 약 7km 해상도의 북반구 해양 분지에 대한 중첩된 지역 영역을 가지고 있다. 물리학에는 파장 굴절, 비선형 공명 상호작용, 미해결 섬의 하위 그리드 표현, 동적으로 업데이트된 얼음 커버리지 등이 포함된다. 바람 데이터는 GFS 기상 모델을 위한 GDAS 데이터 동화 시스템에서 제공된다. 2008년까지 이 모델은 파도가 얕은 깊이의 영향을 강하게 받지 않는 서프 존 외곽 지역으로 제한되었다.[13]

이 모델은 1990년대에 Hendrik Tolman에 의해 초기 설계에서 파도에 미치는 전류의 영향을 통합할 수 있으며, 현재는 근해안 애플리케이션용으로 확장되었다.

WAM

파형 모델 WAM은 2차원 파형 스펙트럼이 스펙트럼 형태에 제약 없이 자유롭게(차단 주파수까지) 진화할 수 있도록 한 이른바 3세대 예후파 모델이었다.[14] 이 모델은 1980년대 후반에 출시될 때부터 일련의 소프트웨어 업데이트를 받았다.[15] 마지막 공식 발매는 사이클 4.5로 독일 헬름홀츠 젠트럼(Geesthacht)이 유지하고 있다.[16]

ECMWF는 WAM을 IFS(Integrated Forecast System)로 알려진 결정론적 및 앙상블 예측 시스템에 통합했다.[17] 모델은 현재 평균 25km의 공간 분해능에서 36개의 주파수 빈과 36개의 전파 방향으로 구성되어 있다. 이 모델은 1998년 이후 IFS의 대기 구성요소와 결합되었다.[18][19]

기타 모델

풍랑예보는 캐나다 환경에 의해 지역적으로 발표된다.[20]

텍사스 A&M 대학이 멕시코만의 파도를 예측하기 위해 SWAN 모델(델프트 공과대학이 개발한)을 활용하는 등 대학에서도 지역파 예측이 나오고 있다.[21]

또 다른 모델인 CCHE2D-COAST는 프로세스 기반 통합 모델로서, 해안에서 육지까지 불규칙한 파동 변형, 방사선 스트레스에 의해 유도되는 근해 전류, 파동 설정, 파동 설정, 침전물 운송, 해저 형태학적 변화 등과 같은 복잡한 해안선으로 다양한 해안에서의 해안 프로세스를 시뮬레이션할 수 있다..[22]

다른 풍파 모델로는 미국 해군 표준 서프 모델(NSSM)이 있다.[23]

확인

파형 모델 예측과 관측치의 비교는 모델 결함을 특성화하고 개선 영역을 식별하는 데 필수적이다. 현장 관측은 부표, 선박, 석유 승강장에서 얻는다. GEOSAT, TOPEX와 같은 인공위성의 고도 데이터를 사용해 풍파의 특성을 유추할 수도 있다.

극한 조건에서의 파동 모델의 후폭풍도 모델에 유용한 테스트 베드 역할을 한다.[24]

레이애니시스

소급 분석 또는 재분석은 이용 가능한 모든 관찰을 수십 년의 기간 동안 시스템의 상태를 설명하는 물리적 모델과 결합한다. 풍파는 NCEP 재분석과[25] ECMWF의 평균자책 40의 일부다.[26] 이러한 자원은 월별 파동 기후의 생성을 허용하며, 연간 및 다분기 시간 척도에서 파동 활동의 변동을 추적할 수 있다. 북반구 겨울 동안, 가장 격렬한 파도 활동은 알류티안 남쪽의 중앙 북태평양과 아이슬란드 남쪽의 중앙 북대서양에 위치한다. 남반구 겨울에는 강렬한 파동 활동이 약 50°S에서 극을 휘감으며, 인도양 남부에 전형적인 5m 높이의 파동을 일으킨다.[26]

참조

  1. ^ a b Cox, Andrew T. & Vincent J. Cardone (2002). "20 Years Of Operational Forecasting At Oceanweather" (PDF). 7th International Workshop on Wave Hindcasting and Forecasting October 21–25, 2002, Banff, Alberta, Canada. Retrieved 2008-11-21.
  2. ^ 비트만, 폴, 마이크 클랜시, 2004년 6월 14-17일 메릴랜드 대학교 운영 50주년 심포지엄 "함대 수치 기상학 및 해양학 센터에서 30년간의 운영 해양파동 예측"
  3. ^ 로버트 몬테뉴, 모로코의 팽창 예측 서비스 (프랑스어로), 1922, 안날레스 하이드로그래픽, 페이지 157-186. 이 논문은 가인이 북대서양 폭풍의 분류와 아조레스와 포르투갈의 관측을 결합하여 모로코의 팽창을 예측하는 방법을 같은 저널(1918년)에 게재한 방법을 기술하고 있다.
  4. ^ 겔시, R, H. 카잘레, J. 바살(1957) 해국 예보. 스펙트럼 방법(프랑스어), 게시판 d'정보 d'Comité d'Océanographie et d'Etude des Côtes, vol. 9(1957), 페이지 416-435.
  5. ^ 오션웨더 주식회사 "파형 모델링"
  6. ^ a b 코멘, 게르브랜드 "파동 모델링 그룹, 역사적 관점"
  7. ^ 지제이 코멘, 엘 카발레리, 엠 도넬란, 케이. 하셀만, S. 하셀만, P.A.E.M. 얀센, 1994. 해양 파동의 역학 및 모델링. 케임브리지 대학 출판부, 532p.
  8. ^ http://polar.ncep.noaa.gov/mmab/papers/tn276/MMAB_276.pdf
  9. ^ Ardhuin, F.; O'Reilly, W. C.; Herbers, T. H. C.; Jessen, P. F. (2003). "Swell transformation across the continental shelf. part I: Attenuation and directional broadening". J. Phys. Oceanogr. 33 (9): 1921–1939. Bibcode:2003JPO....33.1921A. doi:10.1175/1520-0485(2003)033<1921:statcs>2.0.co;2.
  10. ^ Ardhuin, F.; Chapron, B.; Collard, F. (2009). "Observation of swell dissipation across oceans". Geophys. Res. Lett. 36 (6): L06607. arXiv:0809.2497. Bibcode:2009GeoRL..36.6607A. doi:10.1029/2008GL037030. S2CID 6470677.
  11. ^ Bender, L.C. (1996). "Modification of the Physics and Numerics in a Third-Generation Ocean Wave Model". Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 13 (3): 726–750. Bibcode:1996JAtOT..13..726B. doi:10.1175/1520-0426(1996)013<0726:motpan>2.0.co;2.
  12. ^ 톨만, H. L. "WAVEWH III 모델 설명"
  13. ^ 톨먼, 2002g: WAVEWH-III 버전 2.22의 사용 설명서 및 시스템 설명서. NOAA / NWS / NCEP / MMAB 기술 노트 222, 133 pp.
  14. ^ 코멘, GJ, Cavaleri, L.와 도넬란, M.와 하셀만, K.와 하셀만, S.와 얀센, P. 외, 1994: "해양파의 역학과 모델링", 캠브리지, 534 pp.
  15. ^ Hasselmann, S; Hasselmann, K; Janssen, P A E M; et al. (1988). "The WAM model - A third generation ocean wave prediction model". Journal of Physical Oceanography. 18 (12): 1775–1810. Bibcode:1988JPO....18.1775W. doi:10.1175/1520-0485(1988)018<1775:twmtgo>2.0.co;2.
  16. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2013-08-23. Retrieved 2012-03-22.CS1 maint: 제목으로 보관된 복사본(링크)
  17. ^ "바다 물결 모델" 2008-06-03년 유럽 중거리 기상 예보 센터 웨이백 머신에 보관
  18. ^ 얀센, P. A. E. M. J. D. 도일, J. 비들롯, B. Hansen, L. Isaksen, P. Viterbo, 2002: 유체역학, 대기-해양 상호작용의 진전, Vol. I, WITpress, Ed. W.에서 "대기에 미치는 바다의 영향과 피드백"페리, 페이지 155-197
  19. ^ 얀센, P. A. E. M., 2004: 바다의 파도와 바람의 상호작용 케임브리지 300쪽
  20. ^ 캐나다 환경, "운영 모델 예측"
  21. ^ 2005년 2월 23일 사이언스데일리 "서프의 업: 거대한 파도를 예측하기 위해 모델을 이용한 교수"
  22. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2016-03-04. Retrieved 2015-06-01.CS1 maint: 제목으로 보관된 복사본(링크)
  23. ^ 미국 해군 연구소의 "해군 표준 서프 모델 검증 시험 보고서"
  24. ^ Cardone, V.; Jensen, R.; Resio, D.; Swail, V.; Cox, A. (1996). "Evaluation of Contemporary Ocean Wave Models in Rare Extreme Events: The "Halloween Storm" of October 1991 and the "Storm of the Century" of March 1993". J. Atmos. Oceanic Technol. 13 (1): 198–230. Bibcode:1996JAtOT..13..198C. doi:10.1175/1520-0426(1996)013<0198:eocowm>2.0.co;2.
  25. ^ Cox, A, V. Cardone, V. 스와일, "북대서양 파동 후폭풍을 위한 NCEP-NCAR 재분석 프로젝트 해양표면풍 제품 평가"
  26. ^ a b Caires, S, A. Sterl, G. Burgers, G. Kommen, 평균자책-40, "Forty year European Re-analysis of the Global Airl, Ocean Wave 제품 검증 및 분석" 2007-02-07년 웨이백머신에 보관