Модель общей циркуляции океана
Модели общей циркуляции океана (МОЦО) представляют собой особый вид модели общей циркуляции для описания физических и термодинамических процессов в океанах. Общая циркуляция океана определяется как горизонтальный масштаб пространства и масштаб времени больше мезомасштаба (порядка 100 км и 6 месяцев). [ править ] Они изображают океаны с использованием трехмерной сетки, которая включает активную термодинамику и, следовательно, наиболее непосредственно применима к исследованиям климата. В настоящее время они являются наиболее передовыми инструментами для моделирования реакции глобальной океанической системы на увеличение концентрации парниковых газов . [1]Была разработана иерархия OGCM, включающая различные степени пространственного охвата, разрешения, географического реализма, детализации процессов и т. д.
Первое поколение МОЦО предполагало «жесткую крышку» для устранения высокоскоростных внешних гравитационных волн . Согласно критериям CFL без этих быстрых волн мы можем использовать больший временной шаг, который не так затратен в вычислительном отношении. Но он также отфильтровывал океанские приливы и другие волны со скоростью цунами . В рамках этого предположения Кирк Брайан и его коллега Майкл Кокс разработали 2D-модель, 3D-коробчатую модель, а затем модель полной циркуляции в GFDL , в том числе с переменной плотностью, для мирового океана с его сложной береговой линией и топографией дна. [2] Первое приложение с заданной глобальной геометрией было сделано в начале 1970-х годов. [3]Кокс разработал сетку широты и долготы с шагом 2° с 12 вертикальными уровнями в каждой точке.
По мере увеличения количества исследований модели океана, мезомасштабное явление, например, большинство океанских течений имеют поперечные размеры, равные радиусу деформации Россби , стало привлекать все больше внимания. Однако для анализа этих вихрей и течений в численных моделях нам необходимо, чтобы шаг сетки составлял примерно 20 км в средних широтах. Благодаря этим более быстрым компьютерам и предварительной фильтрации уравнений для удаления внутренних гравитационных волн можно разрешить эти основные течения и низкочастотные водовороты. Одним из примеров являются трехслойные квазигеострофические модели , разработанные Холландом. [4]Между тем, есть некоторые модели, сохраняющие внутреннюю гравитационную волну, например, одна адиабатическая многослойная модель О'Брайена и его учеников, которая действительно сохраняла внутренние гравитационные волны, так что можно было решать экваториальные и прибрежные проблемы, связанные с этими волнами, что привело к первоначальному пониманию Эль-Ниньо с точки зрения этих волн. [5]
В конце 1980-х годов можно было, наконец, провести моделирование с использованием формулировки GFDL с незначительным разрешением вихрей в обширных областях и с наблюдаемыми ветрами и некоторым влиянием атмосферы на плотность. [6] Кроме того, эти модели с достаточно высоким разрешением, такие как Южный океан к югу от 25° широты, [7] Северная Атлантика, [8] и Мировой океан без Северного Ледовитого [9]предоставил первое параллельное сравнение с данными. В начале 1990-х годов для этих крупномасштабных моделей с возможностью разрешения вихрей требования к компьютеру для двумерной вспомогательной задачи, связанной с приближением жесткой крышки, становились чрезмерными. Кроме того, для прогнозирования приливных эффектов или сравнения данных о высоте со спутников были разработаны методы прямого прогнозирования высоты и давления на поверхности океана. Например, один из методов заключается в обработке свободной поверхности и усредненной по вертикали скорости с использованием множества небольших шагов по времени для каждого отдельного шага полной трехмерной модели. [10] Другой метод, разработанный в Лос-Аламосской национальной лаборатории, решает те же двумерные уравнения, используя неявный метод для свободной поверхности. [11] Оба метода достаточно эффективны.
