Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Модели общей циркуляции океана (OGCM) представляют собой особый вид модели общей циркуляции для описания физических и термодинамических процессов в океанах. Общая океаническая циркуляция определяется как горизонтальный пространственный масштаб и масштаб времени больше, чем мезомасштаб (порядка 100 км и 6 месяцев). [ необходима цитата ] Они изображают океаны с использованием трехмерной сетки, которая включает активную термодинамику и, следовательно, наиболее непосредственно применима к исследованиям климата. Это самые современные инструменты, доступные в настоящее время для моделирования реакции мировой океанической системы на повышение концентрации парниковых газов . [1] Была разработана иерархия OGCM, которая включает разную степень пространственного охвата, разрешения, географического реализма, деталей процесса и т. Д.

История [ править ]

Первое поколение OGCM предполагало «жесткую крышку» для устранения высокоскоростных внешних гравитационных волн . Согласно критериям CFL без этих быстрых волн мы можем использовать больший временной шаг, что не так дорого с вычислительной точки зрения. Но он также отфильтровывал океанские приливы и другие волны со скоростью цунами . Исходя из этого предположения, Брайан и его коллега Кокс разработали двухмерную модель, трехмерную коробчатую модель, а затем модель полной циркуляции в GFDL , а также с переменной плотностью для Мирового океана с его сложной береговой линией и топографией дна. [2] Первое приложение с указанной глобальной геометрией было сделано в начале 1970-х годов. [3] Кокс разработал сетку широты и долготы 2 ° с до 12 вертикальными уровнями в каждой точке.

По мере того, как все больше и больше исследований по модели океана, мезомасштабные явления, например, большинство океанских течений имеют поперечные размеры, равные радиусу деформации Россби , стали получать 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 дальнейшей предварительной фильтрации уравнений для удаления внутренних гравитационных волн эти основные течения и низкочастотные водовороты могут быть решены, одним из примеров является трехслойная квазигеострофическая модель, разработанная Голландией. [4]Между тем, существует некоторая модель, сохраняющая внутреннюю гравитационную волну, например, одна адиабатическая слоистая модель О'Брайена и его студентов, которая действительно сохраняла внутренние гравитационные волны, так что экваториальные и прибрежные проблемы, связанные с этими волнами, могли быть решены, привела к первоначальному пониманию Эль-Ниньо с точки зрения этих волн. [5]

В конце 1980-х годов наконец можно было провести моделирование с использованием формулировки GFDL с вихрями, незначительно разрешенными в обширных областях, и с наблюдаемыми ветрами и некоторым атмосферным влиянием 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 Арктики [9]предоставили первое параллельное сравнение с данными. В начале 1990-х годов для этих крупномасштабных моделей, разрешимых с помощью водоворотов, потребность в компьютере для решения вспомогательной двумерной задачи, связанной с приближением жесткой крышки, становилась чрезмерной. Кроме того, для прогнозирования приливных эффектов или сравнения данных о высоте со спутников были разработаны методы прямого прогнозирования высоты и давления поверхности океана. Например, один из методов заключается в обработке свободной поверхности и средней по вертикали скорости с использованием множества маленьких шагов по времени для каждого отдельного шага полной 3D-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.

Важность [ править ]

OGCM имеют много важных применений: динамическое взаимодействие с атмосферой, морским льдом и стоком суши, которые в действительности совместно определяют потоки на границе океана; прозрачные биогеохимические материалы; интерпретация палеоклиматических данных, прогноз климата как по естественной изменчивости, так и по антропогенным воздействиям; усвоение данных и управление рыболовством и другими видами биосферы. [12] OGCM играют решающую роль в модели системы Земли . Они поддерживают тепловой баланс, поскольку переносят энергию из тропических широт в полярные. Для анализа обратной связи между океаном и атмосферой нам нужна модель океана, которая может инициировать и усиливать изменение климата во многих различных временных масштабах, например, межгодовая изменчивость Эль-Ниньо [13]и возможное изменение основных схем переноса тепла в океане в результате увеличения выбросов парниковых газов. [14] Океаны - это своего рода система природных флюидов с недостаточной выборкой, поэтому, используя OGCM, мы можем заполнить эти пустые данные и улучшить понимание основных процессов и их взаимосвязи, а также помочь в интерпретации разреженных наблюдений. Несмотря на то, что для оценки реакции климата можно использовать более простые модели, только OGCM можно использовать в сочетании с моделью общей циркуляции атмосферы для оценки глобального изменения климата. [15]

Параметризация подсеточного масштаба [ править ]

генеалогическое древо схемы параметризации океана

Молекулярное трение редко нарушает доминирующий баланс (геострофический и гидростатический) в океане. При кинематической вязкости v = 10 −6 м 2 с −1. число Экмана на несколько порядков меньше единицы; поэтому силы молекулярного трения, безусловно, незначительны для крупномасштабных океанических движений. Аналогичный аргумент справедлив и для уравнений индикаторов, где молекулярная термодиффузия и диффузия солей приводят к пренебрежимо малой величине числа Рейнольдса, что означает, что временные шкалы молекулярной диффузии намного длиннее, чем шкала адвективного времени. Таким образом, мы можем с уверенностью заключить, что прямые эффекты молекулярных процессов несущественны для больших масштабов. И все же молекулярное трение где-то существенно. Дело в том, что крупномасштабные движения в океане взаимодействуют с другими масштабами нелинейностями в примитивном уравнении. Мы можем показать это с помощью подхода Рейнольдса, который приведет к проблеме замыкания.Это означает, что новые переменные возникают на каждом уровне процедуры усреднения по Рейнольдсу. Это приводит к необходимости схемы параметризации для учета этих эффектов масштаба подсети.

Вот схематическое «генеалогическое дерево» схем микширования подсеточного масштаба (SGS). Хотя существует значительная степень перекрытия и взаимосвязи между огромным разнообразием схем, используемых сегодня, можно определить несколько точек ветвления. Наиболее важно то, что подходы к боковому и вертикальному закрытию субсеточного масштаба значительно различаются. Фильтры и операторы более высокого порядка используются для удаления мелкомасштабного шума, который необходим численно. Эти специальные динамические параметризации (топографическое напряжение, диффузия толщины завихрения и конвекция) становятся доступными для определенных процессов. В вертикальном направлении поверхностному смешанному слою (sml) исторически уделялось особое внимание из-за его важной роли в обмене воздух-море. Теперь есть так много схем, которые можно выбрать из: Price-Weller-Pinkel, Pacanowksi и Philander, bulk,Схемы Меллора-Ямады и КПП (параметризация k-профиля).

Адаптивные (непостоянные) схемы длины смешения широко используются для параметризации как бокового, так и вертикального смешения. В горизонтальной плоскости рекомендуется параметризация, зависящая от скорости напряжения и деформации (Смагроинский), шага сетки и числа Рейнольдса (Re). В вертикальном направлении вертикальное смешение как функция частоты стабильности (N ^ 2) и / или число Ричардсона исторически преобладают. Схема повернутых тензоров перемешивания - это схема, учитывающая угол основного направления перемешивания, так как в основном термоклине перемешивание по изопикналам преобладает над диапикнальным перемешиванием. Следовательно, основное направление смешения не является ни строго вертикальным, ни чисто горизонтальным, а является пространственно изменяющейся смесью этих двух.

Сравнение с моделью общей циркуляции атмосферы [ править ]

OGCM и AGCM имеют много общего, например, уравнения движения и численные методы. Однако у OGCM есть некоторые уникальные особенности. Например, атмосфера нагнетается термически по всему объему, океан как термически, так и механически вытесняется в первую очередь на его поверхность, кроме того, геометрия океанических бассейнов очень сложна. Граничные условия совершенно другие. Для моделей океана нам необходимо учитывать эти узкие, но важные пограничные слои почти на всех ограничивающих поверхностях, а также внутри океана. Эти граничные условия для океанских потоков трудно определить и параметризовать, что приводит к большим вычислительным требованиям.

Моделирование океана также сильно ограничено существованием в большей части мирового океана мезомасштабных водоворотов с временным и пространственным масштабами, соответственно, от недель до месяцев и от десятков до сотен километров. В динамическом плане эти почти геострофические турбулентные водовороты являются океанографическими аналогами атмосферного синоптического масштаба. Тем не менее есть важные отличия. Во-первых, океанские водовороты не являются возмущением среднего энергетического потока. Они могут играть важную роль в переносе тепла к полюсам. Во-вторых, они относительно невелики по горизонтали, так что модели климата океана, которые должны иметь такие же общие внешние размеры, как AGCM, могут потребовать в 20 раз больше разрешения, чем AGCM, если вихри должны быть разрешены явно.

Основная разница между OGCM и AGCM заключается в том, что для OGCM данные реже. Кроме того, данные не только разреженные, но также неоднородные и косвенные [ требуется дополнительное объяснение ] .

Классификация [ править ]

Мы можем классифицировать модели океана по разным стандартам. Например, по вертикальным ординатам у нас есть геопотенциальная, изопикническая и топографическая модели. В соответствии с горизонтальной дискретизацией у нас есть разнесенные или разнесенные сетки. По методам аппроксимации у нас есть конечно-разностные и конечно-элементные модели. Существует три основных типа OGCM:

  1. Идеализированные геометрические модели: модели с идеализированной геометрией бассейна широко использовались в моделировании океана и сыграли важную роль в разработке новых методологий моделирования. Они используют упрощенную геометрию, предлагая сам бассейн, в то время как распределение ветра и силы плавучести обычно выбираются как простые функции широты.
  2. Бассейновые модели: для сравнения результатов OGCM с наблюдениями нам нужна реалистичная бассейновая информация вместо идеализированных данных. Однако, если мы обращаем внимание только на данные локальных наблюдений, нам не нужно запускать полное глобальное моделирование, и тем самым мы можем сэкономить много вычислительных ресурсов.
  3. Глобальные модели: этот вид моделей является наиболее затратным с точки зрения вычислений. Необходимы дополнительные эксперименты в качестве предварительного шага в построении связанных моделей системы Земля.

См. Также [ править ]

  • Список моделей циркуляции океана
  • Модель общей циркуляции (GCM)
  • Климатическая модель

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Что такое GCM?" . Ipcc-data.org. 2013-06-18 . Проверено 24 января 2016 .
  2. ^ К. Брайан, J. Comput. Phys. 4, 347 (1969)
  3. ↑ MD Cox, in Numerical Models of Ocean Circulation (Национальная академия наук, Вашингтон, округ Колумбия, 1975), стр. 107 120
  4. ^ WR Holland, J. Phys. Oceanogr. 8, 363 (1978)
  5. ^ AJ Busalacchi и JJ О'Брайен, там же. 10 января 1929 г. (1980 г.)
  6. ^ Альберт Дж. Семтнер
  7. ^ Фрама Group, Eos 72, 169 (1991)
  8. ^ FO Bryan, CW Böning, WR Holland, J. Phys. Oceanogr. 25, 289 (1995)
  9. ^ AJ Semtner и R.M Chervin, J. Geophys. Res. 97, 5493 (1992)
  10. ^ PD Killworth, D. Stainforth, DJ Webb, SM Paterson, J. Phys. Oceanogr. 21, 1333 (1991)
  11. ^ JK Dukowicz и RD Smith, J. Geophys. Res. 99, 7991 (1994)
  12. ^ Chassignet, Эрик П. и Жак Веррон, ред. Моделирование и параметризация океана. № 516. Springer, 1998.
  13. ^ С. Г. Филандер, Эль-Ниньо, Ла-Нина и Южное колебание (Academic Press, Сан-Диего, 1990)
  14. ^ С. Манабэ и RJ Stouffer, Nature 364, 215 (1993)
  15. ^ Showstack, Рэнди. «Отчет МГЭИК призывает к беспрецедентным изменениям климата». Eos, Transactions American Geophysical Union 94.41 (2013): 363–363