Войти
Модели общей циркуляции океана (OGCM) являются частными своего рода модель общей циркуляции для описания физических и термодинамических процессов в океанах. Общая океаническая циркуляция определяется как горизонтальный пространственный масштаб и масштаб времени, больший, чем мезомасштаб (порядка 100 км и 6 месяцев). 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. Была разработана иерархия OGCM, которая включает различные степени пространственного охвата, разрешения, географического реализма, детализации процесса и т. Д.
Первое поколение OGCM предполагало «жесткую крышку» для устранения высокоскоростных внешних гравитационные волны. Согласно критериям CFL без этих быстрых волн мы можем использовать больший временной шаг, что не так дорого с вычислительной точки зрения. Но он также фильтровал 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 топография дна. Первое приложение с заданной глобальной геометрией было сделано в начале 1970-х годов. Кокс разработал сетку широты и долготы 2 ° с до 12 вертикальными уровнями в каждой точке.
Все больше и больше исследований модели океана, мезомасштабных явлений, например Большинство океанских течений имеют поперечные размеры, равные радиусу деформации Россби, начали получать больше внимания. Однако, чтобы проанализировать эти вихри и течения в численных моделях, нам нужно, 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 Голландия. Между тем, существует некоторая модель, сохраняющая внутреннюю гравитационную волну, например одна адиабатическая слоистая модель О'Брайена и его учеников, которая действительно сохраняла внутренние гравитационные волны, чтобы можно было рассматривать экваториальные и прибрежные проблемы, связанные с этими волнами, привела к первоначальному пониманию Эль-Ниньо в терминах этих волн.
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. Кроме того, эти модели с достаточно высоким разрешением, такие как Южный океан к югу от 25 ° широты, Северная Атлантика и Мировой океан без Арктики, обеспечили первое параллельное сравнение с данными. В начале 1990-х годов для этих крупномасштабных моделей, разрешимых с помощью водоворотов, потребность в компьютере для решения двумерной вспомогательной 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 на поверхности океана. Например, один из методов заключается в обработке свободной поверхности и средней по вертикали скорости с использованием множества небольших временных шагов для каждого отдельного шага полной 3D-модели. Другой метод, разработанный в Лос-Аламосской национальной лаборатории, решает те же двумерные уравнения с использованием неявного метода для свободной поверхности. Оба метода достаточно эффективны.
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; ассимиляция данных и управление рыболовством и другими видами биосферы. 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 и потенциальная модификация основных закономерностей для океанический перенос тепла в результате увеличения выбросов парниковых газов. Океаны - это своего рода система природных флюидов с недостаточной выборкой, поэтому с помощью OGCM мы можем заполнить эти пустые данные и улучшить понимание основных процессов и их взаимосвязи, а также помочь интерпретировать разреженные наблюдения. 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.
генеалогическое дерево схемы параметризации океана Молекулярное трение редко нарушает доминирующий баланс (геострофический и гидростатический) в океане. При кинематической вязкости v = 10 м с число Экмана на несколько порядков меньше единицы; следовательно, молекулярные силы 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 адвективные временные шкалы. Таким образом, мы можем с уверенностью заключить, что прямое влияние молекулярных процессов несущественно для больших масштабов. И все же молекулярное трение где-то необходимо. Дело в том, что крупномасштабные движения в океане взаимодействуют с другими масштабами за счет нелинейностей 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 древо» 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 подсеток значительно различаются. Фильтры и операторы высшего 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 можно выбрать из множества схем: схемы Прайса-Веллера-Пинкеля, Пакановски и Филандера, балк, Меллора-Ямада и схемы KPP (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 скоростей 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, поскольку в основном термоклине перемешивание по изопикналам преобладает над диапикнальным перемешиванием. Следовательно, основное направление смешивания не является ни строго вертикальным, ни чисто горизонтальным, а является пространственно изменяющейся смесью этих двух.
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 своему 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. В моделях океана мы должны 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. Динамически эти почти геострофические турбулентные водовороты являются океанографическими аналогами синоптического масштаба атмосферы. 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, поэтому для моделей климата океана, которые должны иметь такие же общие внешние размеры, как AGCM, может потребоваться разрешение в 20 раз больше, чем AGCM, если вихри должны быть разрешены явно.
Основная разница между OGCM и AGCM заключается в том, что для OGCM данные являются более разреженными. Кроме того, данные не только разреженные, но также неоднородные и косвенные.
Мы можем классифицировать модели океана в соответствии с различными стандартами. Например, согласно 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:
Портал океанов 