[논문 리뷰] A practical three dimensional formalism for the ocean, coupling random waves, mean flow, and turbulence

Ardhuin Fabrice, Alastair D. Jenkins|arXiv (Cornell University)|2005. 04. 14.

Ocean Waves and Remote Sensing인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 일반화된 라그랑주 평균 이론을 사용하여 무작위 파동, 평균 해류, 난류를 결합하는 3차원 체계를 개발하며, 일관된 운동량 및 에너지 예산을 가능하게 한다. 이 프레임워크는 파동의 위상운동량, 평균 유속, 난류 운동에너지와 유동에 의존하는 난류 늘림을 통합하며, 표면 유속, 혼합, 해안 예측 향상을 위해 파동-해류 순환 모델의 결합에 직접 적용 가능하다.

ABSTRACT

Wave-mean flow equations for mass and momentum conservation in three dimensions, previously obtained with a vertical coordinate transform, are generalized here to random waves, and re-derived from the Generalized Lagrangian Mean equations. Combining the momentum equation with a three-dimensional equation for wave pseudo-momentum yields a set of equations describing the interactions of waves, mean flow and turbulence. Consistent boundary conditions and parameterizations are described. These include a Generalized Lagrangian Mean equation for the turbulent kinetic energy that describes the stretching of turbulence by the shear of the wave-induced Stokes drift. The equations derived here are readily integrated by coupling a spectral wave model to an ocean circulation model, with practical applications to the forecasting of surface drift, upper ocean mixing, coastal ocean circulation, and wave forecasting.

연구 동기 및 목표

• 무작위 파동, 평균 유속, 난류 간의 일관된 3차원 체계를 개발하기 위해.
• 일반화된 라그랑주 평균 체계를 통해 난류 효과를 포함한 파동-평균 유속 상호작용 이론을 확장하기 위해.
• 파동 유도 운동량 및 난류 에너지 전이를 위한 일관된 경계 조건과 파arameterization을 수립하기 위해.
• 실용적인 예측 응용을 위해 스펙트럼 파도 모델과 해양 순환 모델과의 통합을 가능하게 하기 위해.
• 파동 유도 스튜어스 유동이 난류의 형태와 에너지에 미치는 영향을 기술하기 위해.

제안 방법

• 수직 좌표 변환과 일반화된 라그랑주 평균(Goal: GLM) 이론을 사용하여 3차원 파동-평균 유속 방정식을 유도한다.
• 파동-평균 유속-난류 상호작용을 기술하기 위해 3차원 파동 위상운동량 방정식을 평균 유속 운동량 방정식과 통합한다.
• 파동 유도 스튜어스 유동에 의한 기울기로 인한 난류 늘림을 고려한 GLM 기반 난류 운동에너지 방정식을 통합한다.
• 공기-해면 및 해저 표면에서 운동량 및 에너지 유속의 일관된 경계 조건을 유도한다.
• 3차원 체계와 일관된 파동 유도 응력 및 난류 소산 파arameterization을 제안한다.
• 모듈식이며 수치적으로 다룰 수 있는 형식을 통해 스펙트럼 파도 모델과 해양 순환 모델과의 결합을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통일된 체계를 사용하여 3차원에서 파동-평균 유속-난류 상호작용을 어떻게 일관되게 기술할 수 있는가?
• RQ2 파동 유도 스튜어스 유동은 난류 운동의 구조와 에너지에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 파동 위상운동량, 평균 유속 운동량, 난류 운동에너지가 공통 이론적 프레임워크를 통해 어떻게 결합될 수 있는가?
• RQ4 3차원 파도-유속-난류 시스템에서 운동량 및 에너지 유속에 대한 일관된 경계 조건은 무엇인가?
• RQ5 이 체계는 파도-해류 순환 모델에 실용적으로 어떻게 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 체계는 일반화된 라그랑주 평균 이론을 사용하여 파동-평균 유속 및 난류 상호작용을 일관된 3차원 기술로 제공한다.
• 파동 위상운동량 방정식이 평균 유속 운동량 방정식과 결합되어 파도-유속-난류 상호작용의 방정식계를 닫는다.
• 파동 유도 스튜어스 유동의 기울기로 인한 난류 늘림을 명시적으로 고려한 GLM 기반 난류 운동에너지 방정식이 도출되었다.
• 공기-해면 및 해저 표면에서 운동량 및 에너지 유속에 대한 일관된 경계 조건을 지원한다.
• 스펙트럼 파도 모델과 해양 순환 모델을 결합하여 직접 통합 가능하여 실용적 예측 응용이 가능하다.
• 파동 유도 운동량 및 에너지 전이를 포착함으로써 표면 유속, 상층 해양 혼합, 해안 순환의 개선된 모델링이 가능하다.