Regionalny system modelowania oceanów

ROMS logo.png

Regionalny system modelowania oceanów (ROMS) to prymitywny model oceanu z prymitywnymi równaniami powierzchni swobodnej, podążający za terenem, szeroko stosowany przez społeczność naukową do różnorodnych zastosowań. Model został opracowany i wspierany przez naukowców z Rutgers University , University of California w Los Angeles oraz współpracowników z całego świata.

ROMS służy do modelowania, w jaki sposób dany region oceanu reaguje na siły fizyczne, takie jak ogrzewanie lub wiatr. Można go również wykorzystać do modelowania, w jaki sposób dany system oceaniczny reaguje na dane wejściowe, takie jak osady, słodka woda, lód lub składniki odżywcze, co wymaga sprzężonych modeli zagnieżdżonych w ramach ROMS.

Struktura

ROMS to system modelowania 4D. Jest to model trójwymiarowy (siatka pozioma 2D i siatka pionowa), który można uruchomić przez określony czas, przy czym czas jest czwartym wymiarem. Jest podzielony na pionowe poziomy, które tworzą słup wody i poziome komórki, które tworzą współrzędne płaszczyzny kartezjańskiej 2D obszaru modelu.

Jądro

Kluczowe dla struktury ROMS są cztery modele, które tworzą tak zwany dynamiczny/numeryczny rdzeń lub jądro:

  1. Jądro modelu nieliniowego (NLM): NLROMS
  2. Jądro stycznego modelu liniowego perturbacji (TLM): TLROMS
  3. Jądro modelu reprezentatora liniowego o skończonej amplitudzie (RPM): RPROMS
  4. Jądro modelu sprzężonego (ADM): ADROMS

Siatka pionowa

Siatka pionowa to hybrydowa siatka rozciągnięta. Jest hybrydą, ponieważ jej interwały rozciągania mieszczą się gdzieś pomiędzy dwoma skrajnościami: 1) równomiernie rozmieszczoną siatką sigma używaną w modelu oceanu Princeton i 2) prawdziwą siatką Z ze statycznym przedziałem głębokości. Pionową siatkę można ścisnąć lub rozciągnąć, aby zwiększyć lub zmniejszyć rozdzielczość interesującego obszaru, takiego jak termoklina lub dolnej warstwy granicznej. Siatka rozciągająca się w kierunku pionowym jest zgodna z topografią dna, co pozwala na wyidealizowany przepływ wody przez takie elementy, jak góry podwodne. Numeracja pionowej siatki biegnie od wód dennych w górę do granicy faz powietrze-woda: dolny poziom wody to poziom 1, a najwyższy poziom wód powierzchniowych to najwyższa liczba (np. poziom 20). W przypadku sprzężonego modułu osadów numeracja poziomów dna morskiego osadów przebiega od granicy faz osad-woda w dół: najwyższy poziom dna morskiego to poziom 1, a najgłębszy poziom dna morskiego to najwyższy numer.

Siatka pozioma

Siatka pozioma jest siatką strukturalną, co oznacza, że ​​ma prostokątną 4-stronną strukturę komórek siatki. Siatka pozioma jest również ortogonalną krzywoliniową siatką, co oznacza, że ​​maksymalizuje interesujące komórki siatki oceanicznej i minimalizuje dodatkowe komórki siatki lądowej. Siatka pozioma jest również siatką schodkową lub siatką Arakawa-C , w której prędkości w kierunkach północ-południe i wschód-zachód są obliczane na krawędziach każdej komórki siatki, podczas gdy wartości zmiennych skalarnych, takich jak gęstość, są obliczane na środek każdej komórki siatki, znany jako „punkty rho”.

Fizyka

Zarówno w kierunku pionowym, jak i poziomym, domyślne równania wykorzystują wyśrodkowane schematy różnic skończonych drugiego rzędu. W razie potrzeby dostępne są schematy wyższego rzędu, na przykład przy użyciu rekonstrukcji splajnu parabolicznego.

Ogólnie rzecz biorąc, schematy fizyczne używane przez ROM-y opierają się na trzech rządzących równaniach:

  1. Ciągłość
  2. Zasada zachowania pędu ( Navier-Stokes )
  3. Równania transportu zmiennych wskaźnikowych (takich jak zasolenie i temperatura)

Równania są łączone w celu rozwiązania pięciu niewiadomych w każdym miejscu siatki modelu przy użyciu rozwiązań numerycznych:

  • Prędkość wschód-zachód (u)
  • Prędkość północ-południe (v)
  • Prędkość pionowa (w)
  • Zasolenie
  • Temperatura

Kod źródłowy

ROMS wykorzystuje kod źródłowy o otwartym dostępie, który można pobrać, wypełniając formularz wniosku online. Działa na przetwarzaniu C i został opracowany do wspólnych zastosowań obliczeniowych. Aby pobrać kod źródłowy, użytkownik musi utworzyć konto i złożyć wniosek do programistów na stronie internetowej ROM-ów .

Wejście i wyjście

Wejście

Granice, takie jak linie brzegowe, można określić dla danego regionu za pomocą maskowania lądów i mórz. Górna granica pionowa, interfejs powietrze-morze, wykorzystuje schemat interakcji opracowany przez Fairalla i in. (1996). Dolna granica pionowa, granica faz osad-woda , wykorzystuje schemat naprężenia dna lub warstwy granicznej dna, opracowany przez Stylesa i Glenna (2000).

Dane wejściowe potrzebne osobie wdrażającej do uruchomienia ROM-ów dla określonego regionu oceanicznego obejmują:

  • Batymetria i linia brzegowa
  • Wejście słodkiej wody
  • Wiatr
  • Pływy
  • Otwarte wymuszenia graniczne (wyidealizowane, takie jak produkt ponownej analizy lub określone dane)
  • Strumień ciepła
  • Mieszanie fizyczne (patrz wyżej)

Ramy programowania ROM-ów są podzielone na trzy części: Inicjuj, Uruchom i Finalizuj, co jest standardem dla Earth System Modeling Framework (ESMF). „Uruchom” to największa z tych trzech części, w której użytkownik wybiera, z których opcji chce skorzystać, i w razie potrzeby asymiluje dane. Uruchomienie modelu musi zostać zainicjowane lub skompilowane przed jego uruchomieniem.

Wyjście

Format wyjściowy plików przebiegu modelu to netCDF . Dane wyjściowe modelu są często wizualizowane przy użyciu niezależnego dodatkowego oprogramowania programistycznego, takiego jak MATLAB lub Python. Panoply Data Viewer NASA, może być również używane do wizualizacji danych wyjściowych modelu do celów dydaktycznych lub demonstracyjnych.

Opcje użytkownika

Ogólne podejście ROMS daje realizatorom modeli wysoki poziom swobody i odpowiedzialności. Jedno podejście nie może zaspokoić potrzeb wszystkich różnorodnych zastosowań, w których model jest obecnie używany. Dlatego od każdego realizatora modelu (pojedynczej osoby lub grupy badawczej) zależy, w jaki sposób chce wykorzystać każdą z dostępnych opcji. Opcje obejmują opcje takie jak:

  • Mieszanie preparatów w kierunku poziomym i pionowym
  • Pionowe rozciąganie siatki
  • Tryb przetwarzania (szeregowy, równoległy z MPI lub równoległy z OpenMP)
  • Debugowanie włączone lub wyłączone

Podczas korzystania z ROM-ów, jeśli osoba wdrażająca napotka problem lub błąd, może zgłosić to na forum ROM-ów .

Aplikacje

Codzienny zestaw danych o globalnej temperaturze powierzchni morza (SST) z grudnia 2013 r., wyprodukowany w rozdzielczości 1 km (znanej również jako ultrawysoka rozdzielczość) przez grupę JPL ROMS.

Wszechstronność ROM-ów została udowodniona w różnych zastosowaniach w różnych systemach i regionach. Najlepiej nadaje się do systemów mezoskalowych lub systemów, które można mapować w wysokiej rozdzielczości, na przykład w odstępach między siatkami od 1 km do 100 km.

Połączone aplikacje modelowe

Modele biogeochemiczne, biooptyczne, lodu morskiego, osadów i inne można osadzić w ramach systemu ROMS w celu badania określonych procesów. Są one zwykle opracowywane dla określonych regionów oceanów świata, ale mogą być stosowane gdzie indziej. Na przykład aplikacja ROMS dotycząca lodu morskiego została pierwotnie opracowana dla regionu Morza Barentsa.

Wysiłki modelowania ROMS są coraz częściej łączone z platformami obserwacyjnymi, takimi jak boje , satelity i systemy pobierania próbek montowane na statkach, aby zapewnić dokładniejsze prognozowanie warunków oceanicznych.

Aplikacje regionalne

Liczba zastosowań ROM-ów w poszczególnych regionach oceanów świata stale rośnie. Te zintegrowane systemy modelowania oceanów używają pamięci ROM do składnika cyrkulacji i dodają inne zmienne i procesy będące przedmiotem zainteresowania. Oto kilka przykładów:

  • Sprzężony transport ocean-atmosfera-fale-osad (COAWST)
  • Eksperymentalny system do przewidywania optyki półki i nachylenia (ESPRESSO)
  • New York Harbor Observing and Prediction System (NYHOPS)
  • Chesapeake Bay Estuarine Carbon & Biogeochemistry (ChesROMS ECB)
  • Wskaźniki klimatyczne w Zatoce Alaskiej
  • LiveOcean dla północno-wschodniego Pacyfiku i Morza Salish
  • Operacyjny system prognozowania w zachodniej części Morza Śródziemnego (WMOP)

Zobacz też

  1. ^   Szczepetkin, Aleksander F. (2003). „Metoda obliczania poziomej siły gradientu ciśnienia w modelu oceanicznym z niewyrównaną współrzędną pionową” . Dziennik badań geofizycznych . 108 (C3). doi : 10.1029/2001jc001047 . ISSN 0148-0227 .
  2. ^ a b Szczepetkin, AF; McWilliams, JC (2005). Regionalny system modelowania oceanów: model oceanu z podziałem jawnym, swobodną powierzchnią i topografią według współrzędnych , 2003 . Los Angeles, Kalifornia: Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles: Instytut Geofizyki i Fizyki Planetarnej.
  3. ^   Moore, Andrew M.; Arango, Hernan G.; Di Lorenzo, Emanuele; Cornuelle, Bruce D.; Miller, Artur J.; Neilson, Douglas J. (2004-01-01). „Kompleksowy system przewidywania i analizy oceanów oparty na stycznej liniowej i sprzężonej regionalnego modelu oceanu”. Modelowanie oceanów . 7 (1–2): 227–258. doi : 10.1016/j.ocemod.2003.11.001 . ISSN 1463-5003 .
  4. Bibliografia   _ Haidvogel, Dale (1994-11-01). „Półjawny model cyrkulacji oceanicznej wykorzystujący uogólniony układ współrzędnych zgodny z topografią”. Journal of Computational Physics . 115 (1): 228–244. doi : 10.1006/jcph.1994.1189 . ISSN 0021-9991 .
  5. Bibliografia    _ Bradley, EF; Rogers, DP; Edson, JB; Młody, GS (15.02.1996). „Zbiorcza parametryzacja strumieni powietrze-morze dla eksperymentu odpowiedzi atmosfery tropikalnej i globalnej atmosfery sprzężonej z oceanem”. Journal of Geophysical Research: Oceany . 101 (C2): 3747–3764. CiteSeerX 10.1.1.469.6689 . doi : 10.1029/95jc03205 . ISSN 0148-0227 .
  6. ^   Style, Richard; Glenn, Scott M. (15.10.2000). „Modelowanie fal warstwowych i obecnych dolnych warstw granicznych na szelfie kontynentalnym” (PDF) . Journal of Geophysical Research: Oceany . 105 (C10): 24119–24139. doi : 10.1029/2000jc900115 . ISSN 0148-0227 . Zarchiwizowane od oryginału (PDF) w dniu 2019-12-30.
  7. ^ "ROMY > uruchom" . www.myroms.org . Źródło 2019-02-08 .
  8. ^ Hedstrom, Katherine S. (2016). „Podręcznik techniczny sprzężonego modelu cyrkulacji morza i lodu / oceanu (wersja 5)” (PDF) . Badanie OCS BOEM 2016-037. Umowa o współpracy nr M15AC00011 .
  9. ^ „Met Office: modelowanie w mezoskali” . 2010-12-29. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 2010-12-29 . Źródło 2018-04-26 .
  10. ^   Buddell, WP (2005-12-01). „Numeryczna symulacja zmienności lodu i oceanu w regionie Morza Barentsa”. Dynamika Oceanu . 55 (3–4): 370–387. doi : 10.1007/s10236-005-0008-3 . ISSN 1616-7341 .
  11. Bibliografia   _ Armstrong, brandy; On, Ruoying; Zambon, Joseph B. (2010-01-01). „Opracowanie sprzężonego systemu modelowania transportu ocean-atmosfera-fala-osad (COAWST)” (PDF) . Modelowanie oceanów . 35 (3): 230–244. doi : 10.1016/j.ocemod.2010.07.010 . hdl : 1912/4099 . ISSN 1463-5003 .
  12. Bibliografia    _ Friedrichs, Marjorie AM; Wilkin, John; Tian, ​​Hanqin; Yang, Qichun; Hofmann, Eileen E .; Wiggert, Jerry D.; Kaptur, Raleigh R. (2015). „Przepływy azotu w Zatoce Chesapeake pochodzące z systemu modelowania biogeochemicznego oceanu lądowego i ujściowego: opis modelu, ocena i budżety azotu” . Journal of Geophysical Research: Biogeosciences . 120 (8): 1666-1695. doi : 10.1002/2015jg002931 . PMC 5014239 . PMID 27668137 .
  13. ^   Combes, Vincent; Di Lorenzo, Emanuele (2007-10-01). „Wewnętrzna i wymuszona międzyroczna zmienność mezoskalowej cyrkulacji Zatoki Alaski”. Postęp w oceanografii . 75 (2): 266–286. doi : 10.1016/j.pocean.2007.08.011 . hdl : 1853/14532 . ISSN 0079-6611 .
  14. ^ „Opis systemu SOCIB” . www.socib.es . Źródło 2022-08-14 .

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Regional_Ocean_Modeling_System&oldid=1104423660 ”