[논문 리뷰] Modeling sea level changes and geodetic variations by glacial isostasy: the improved SELEN code

Giorgio Spada, Daniele Melini외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 20.

Geophysics and Gravity Measurements참고 문헌 18인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 해수면방정식(SLE)을 수치적으로 해결하여 빙하기 등반조정(GIA) 효과로 인한 상대적 해수면 변화, 지표면 수직운동, 중력장 변화를 모델링하기 위한 오픈소스 Fortran 90 코드인 SELEN 2.9를 제시한다. 향상된 코드는 빙하 융해로 인한 과거 및 현시대 지질학적 변화를 시뮬레이션하기 위해 계산 효율성, 이식성, 사용자 친화성을 향상시켰으며, 전 세계 tidal 계측소와 중력장의 스토크스 계수를 통해 검증된 응용 사례를 포함한다.

ABSTRACT

We describe the basic features of SELEN, an open source Fortran 90 program for the numerical solution of the so-called "Sea Level Equation" for a spherical, layered, non-rotating Earth with Maxwell viscoelastic rheology. The Sea Level Equation was introduced in the 70s to model the sea level variations in response to the melting of late-Pleistocene ice-sheets, but it can be also employed for predictions of geodetic quantities such as vertical and horizontal surface displacements and gravity variations on a global and a regional scale. SELEN (acronym of SEa Level EquatioN solver) is particularly oriented to scientists at their first approach to the glacial isostatic adjustment problem and, according to our experience, it can be successfully used in teaching. The current release (2.9) considerably improves the previous versions of the code in terms of computational efficiency, portability and versatility. In this paper we describe the essentials of the theory behind the Sea Level Equation, the purposes of SELEN and its implementation, and we provide practical guidelines for the use of the program. Various examples showing how SELEN can be configured to solve geodynamical problems involving past and present sea level changes and current geodetic variations are also presented and discussed.

연구 동기 및 목표

• 해수면방정식(SLE)을 위한 접근성 있고 효율적이며 이식 가능한 수치 해법 도구를 개발하여 빙하기 등반조정(GIA)이 해수면과 지질학적 신호에 미치는 영향을 연구한다.
• 이전 버전의 SELEN에 비해 계산 성능 향상과 코드 유지보수성 향상을 통해 교육 및 연구 응용 분야에 기여한다.
• 빙하 융해로 인한 과거 및 현시대 지질학적 변화—예를 들어 지표면 수직운동, 해수면 변화, 중력장 시간도함수 등—을 정확하게 모델링할 수 있도록 한다.
• 초보자들이 GIA 모델링에 쉽게 접근할 수 있도록 사용자 친화적이고 자가문서화된 도구를 제공하며, 실용적인 설정 예제와 출력 유틸리티를 포함한다.
• tide 계측소와 구면조화계수에서 상대적 해수면과 표면 변형의 시계열 예측을 제공하여 지질학적 및 지구물리학적 연구를 지원한다.

제안 방법

• SELEN 2.9는 맥스웰 점탄성 라이올로지와 함께 구형, 다층, 자전하지 않는 지구 모델을 사용하여 SLE를 수치적으로 해결한다.
• 코드는 점탄성 그린 함수 형식을 활용하여 빙하 및 융해수의 시간에 따라 변화하는 표면 하중에 의한 표면 및 중력 반응을 계산한다.
• 지구 중력장의 스토크스 계수의 시간도함수를 최대 차수 ℓ = 9까지 계산하여 인공위성 지질측정과의 비교를 가능하게 한다.
• 프로그램은 상대적 해수면 변화, 수직 속도, 중력 변화에 대한 지역 및 글로벌 시뮬레이션을 지원한다.
• 입력은 자가설명 가능한 설정 파일을 통해 정의되며, 출력에는 예측된 tidal 계측소 추세와 조화계수 포함.
• 성능 최적화와 이식성 향상을 위해 광범위한 인라인 주석과 모듈식 구조를 채택하여 사용 및 확장 용이성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SELEN 2.9는 전 세계 tidal 계측소에서 현시대 상대적 해수면 추세와 지표면 수직운동을 얼마나 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 스토크스 계수로 표현된 GIA에 의한 중력장 변화 예측치가 관측된 지질학적 신호와 얼마나 일치하는가?
• RQ3 SELEN 2.9의 향상된 계산 성능가 빙하기 등반조정 모델링의 대규모 또는 교육적 응용을 어떻게 지원하는가?
• RQ4 SLE 근사에서 자전 피드백, 횡방향 라이올로지, 해안선 이동을 忽시할 경우의 제약은 무엇인가?
• RQ5 SELEN 2.9는 발트해 및 지중해 지역과 같이 장기 기록이 있는 tidal 계측소에서 관측된 지질학적 추세를 신뢰성 있게 재현할 수 있는가?

주요 결과

• SELEN 2.9는 120개 이상의 tidal 계측소에서 관측된 현시대 상대적 해수면 추세와 지표면 수직운동을 오차 범위 내에서 성공적으로 재현하였다.
• 스톡홀름 계측소의 경우, SELEN은 GIA로 인한 해수면 변화를 연간 -3.90 mm로 예측하였으며, 관측된 추세인 -4.89 mm/yr(기타 기여 요소 포함)와 일치한다.
• 스톡홀름에서의 수직 속도는 -4.89 mm/yr로 예측되었으며, 95% 신뢰구간은 ±0.15 mm/yr로, 모델 신뢰도가 높음을 시사한다.
• 스토크스 계수의 시간도함수(ℓ ≤ 9)는 조화 차수에 따라 체계적인 변화를 보이며, 인공위성 지질측정으로 감지 가능한 중력장 변화를 반영한다.
• 지중해 지역에서 베니스(P. Salute)에서는 SELEN이 GIA로 인한 해수면 추세를 연간 +2.39 mm로 예측하였으며, 관측값과 ±0.16 mm/yr 오차 범위 내에서 일치한다.
• 코드는 페노스칸디아 지역에서 강한 GIA 효과를 반영한 라탄 지역의 높은 침하율 -7.81 mm/yr과 같은 복잡한 지역 패턴도 성공적으로 모델링하였다.