[論文レビュー] On a minimum set of equations for parameterisations in comprehensive ocean circulation models

Igor Shevchenko, Pavel Berloff|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Oceanographic and Atmospheric Processes参考文献 35被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、大規模な海流パターン（例：メキシコ湾流）を保持するための、包括的海洋循環モデルにおける最小限のパrameterizationを必要とする方程式の集合を調査する。MITgcmを用いた北大西洋設定において、運動量方程式や大気方程式を変更せずに、温度および塩分のトレーサー方程式にのみ補正を加えることで、大規模循環が十分に維持されることを示した。これは、運動量方程式のみにパrameterizationを施す手法よりも優れた性能を示し、トレーサー分野の劣化や流れ構造の破壊を防いだ。

ABSTRACT

The complexity of comprehensive ocean models poses an important question for parameterisations: is there a minimum set of equations that should be parameterised, on the one hand, to reduce the development to a minimum, and, on the other hand, to ensure an accurate representation of large-scale flow patterns? This work seeks to answer this to assist modern parameterisations be more selective in their targets. For this, we considered a North Atlantic configuration of the MIT general circulation model and studied contributions of different model equations to the accuracy of representation of the Gulf Stream at low resolution. Our results suggest that it is enough to parameterise only the tracer equations for temperature and salinity and leave the other equations in the hydrodynamic part, as well as the atmospheric model unmodified.

研究の動機と目的

• 低解像度モデルにおける正確な大規模海洋循環を維持するために、パrameterizationが必要な最小限の式の集合を特定すること。
• 運動量方程式のみをパrameterizationしても、大規模な流れのパターンを保持できるかどうかを評価すること。
• 温度および塩分のトレーサー方程式をパrameterizationした場合が、大規模循環の忠実性に与える影響を評価すること。
• メキシコ湾流の正確な表現のために、大気モデルまたは流体力学的方程式にパrameterizationが必要かどうかを特定すること。
• 粗グリッドシミュレーションにおけるエネルギー変換および散逸プロセスの維持に、トレーサー方程式の補正が果たす役割を調査すること。

提案手法

• 1/12°（真値）および1/3°（粗解像度）の2つの解像度を用いた、MITgcmの北アトランティック設定を用いた。
• 完全なパrameterization技術を適用：φA = φ + η(φ − φ̄)、ここでφは粗解像度解、φ̄は真値である。
• 運動量、トレーサー、大気方程式を個別および組み合わせて補正し、それらの影響を分離した。
• 補正振幅η = 1としてシミュレーションを実行し、渦度、海面水温、塩分、海面高の時間発展を分析した。
• 運動エネルギーおよびポテンシャルエネルギーの変換、および粘性散逸をモニタリングし、エネルギーバランスの変化を評価した。
• メキシコ湾流地域に限定して補正を施し、トレーサーのパrameterizationの空間的効率をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粗解像度海洋モデルにおいて、温度および塩分のトレーサー方程式のみをパrameterizationすることで、大規模な海洋循環を保持できるか？
• RQ2 運動量方程式および大気モデルのみをパrameterizationし、トレーサーを補正しない場合、大規模な流れにどのような影響が生じるか？
• RQ3 メキシコ湾流地域に限定してトレーサー方程式を補正することで、グローバル補正と同等の効果が得られるか？
• RQ4 トレーサー方程式のみをパrameterizationした場合、真値との比較でエネルギー変換（PE→KE）および粘性散逸にどのような影響があるか？
• RQ5 1つのトレーサー方程式（例：温度または塩分）のみをパrameterizationすると、高周波数波の汚染が急速に進行し、大規模な流れの整合性が破壊されるのはなぜか？

主な発見

• 運動量方程式および大気モデルのみをパrameterizationすると、温度および塩分のフィールドが著しく劣化し、メキシコ湾流の構造が破壊され、流れが弱体化する。
• 温度および塩分のトレーサー方程式にのみ補正を加えることで、大規模循環（メキシコ湾流およびその延長部を含む）が最小限の他の方程式の変更で維持可能である。
• メキシコ湾流地域に限定したトレーサー方程式の補正でも、グローバル補正と同程度の結果が得られ、空間的効率が確認された。
• 1つのトレーサー方程式（例：温度または塩分）のみを補正すると、解が高周波数波で急速に汚染され、大規模な流れの整合性が失われる。
• 補正を施したトレーサーのみの解では、真値との比較でポテンシャルエネルギー（PE）から運動エネルギー（KE）への変換が、元の粗解像度解の約1桁大きい値を示し、エネルギー伝達の改善が示された。
• 補正済み解における粘性散逸は、真値解の約3倍にのぼり、過剰な運動エネルギーを安定化させるために、より高い渦粘性係数が必要になる可能性を示唆している。