[논문 리뷰] On a minimum set of equations for parameterisations in comprehensive ocean circulation models

Igor Shevchenko, Pavel Berloff|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 07.

Oceanographic and Atmospheric Processes참고 문헌 35인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 종합적인 해양순환 모델에서 대규모 유동 패턴(예: 걸프스트림)을 유지하기 위해 매개변수화가 필요한 최소한의 방정식 조합을 조사한다. MITgcm를 사용한 북대서양 설정을 통해, 동역학 방정식과 대기 방정식을 그대로 두고 수온 및 염도의 트레이서 방정식만 보완함으로써 대규모 순환을 충분히 유지할 수 있음을 입증한다. 이는 동역학만 매개변수화하는 것보다 우수한 성능을 보이며, 후자는 트레이서 필드를 악화시키고 유동의 구조를 파괴한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 저해상도 모델에서 정확한 대규모 해양순환을 유지하기 위해 매개변수화되어야 하는 최소한의 방정식 조합을 규명하는 것.
• 동역학 방정식만 매개변수화하는 것이 대규모 유동 패턴을 유지하는 데 충분한지 평가하는 것.
• 수온 및 염도의 트레이서 방정식을 매개변수화하는 것이 대규모 순환의 정확성에 미치는 영향를 평가하는 것.
• 걸프스트림의 정확한 표현을 위해 대기 모델 또는 유체역학 방정식이 매개변수화되어야 하는지 여부를 판단하는 것.
• 해상도가 낮은 시뮬레이션에서 에너지 전환 및 소산 과정을 유지하는 데 트레이서 방정식 보완이 어떻게 기여하는지 탐구하는 것.

제안 방법

• 1/12° (참값) 및 1/3° (저해상도 해) 해상도를 사용한 북대서양 설정에서 MITgcm를 사용하였다.
• 완벽한 매개변수화 기법을 적용하여 해를 보완: φA = φ + η(φ − φ̄), 여기서 φ는 저해상도 해이고 φ̄는 참값이다.
• 동역학, 트레이서, 대기 방정식을 개별적으로 및 조합하여 보완하여 각 요소의 영향을 분리하였다.
• 보정 강도 η = 1로 설정한 시뮬레이션을 수행하고, 코리올리력, 해수면 온도, 염도, 해수면 고도 등의 시간에 따라 변화하는 필드를 분석하였다.
• 운동에너지 및 위치에너지 간 전환과 점성 소산을 모니터링하여 에너지 균형 변화를 평가하였다.
• 해류의 주요 영역인 걸프스트림 지역에 국한된 보정을 수행하여 트레이서 매개변수화의 공간적 효율성을 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저해상도 해양 모델에서 수온 및 염도의 트레이서 방정식만 매개변수화하는 것으로도 대규모 해양순환을 유지할 수 있는가?
• RQ2 동역학 방정식과 대기 모델만 매개변수화하고 트레이서를 보정하지 않을 경우 대규모 유동은 어떻게 되는가?
• RQ3 걸프스트림 지역에 국한된 트레이서 방정식 보정이 전역적 보정만큼 대규모 순환을 효과적으로 유지할 수 있는가?
• RQ4 트레이서 방정수만 매개변수화하는 것이 참값 해와 비교해 에너지 전환(위치에너지 → 운동에너지)과 점성 소산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 왜 트레이서 방정식 중 하나만 매개변수화하면 고주기파 오염으로 인해 빠르게 해가 파손되는가?

주요 결과

• 동역학 방정식과 대기 모델만 매개변수화하는 것은 수온 및 염도 필드를 심각하게 악화시켜 걸프스트림의 구조를 해칠 뿐 아니라 유동을 약화시킨다.
• 수온 및 염도의 트레이서 방정식만 보완하는 것으로도 대규모 순환, 특히 걸프스트림과 그 연장선의 구조를 유지하는 데 충분하며, 다른 방정식의 변화는 최소한이다.
• 걸프스트림 지역에 국한된 트레이서 방정식 보정이 전역적 보정과 정량적으로 유사한 결과를 낳으며, 이는 공간적 효율성을 시사한다.
• 트레이서 방정식 중 하나만 보완(예: 수온 또는 염도)하면 고주기파 오염으로 인해 해가 급격히 파손되어 대규모 유동의 통일성이 붕괴된다.
• 트레이서만 보완된 해는 참값 해와 비교해 위치에너지(PE)에서 운동에너지(KE)로의 전환이 약 10배 정도 더 크며, 이는 에너지 전달의 향상을 시사한다.
• 보완된 해에서 점성 소산은 참값 해보다 약 3배 높으며, 이는 과도한 운동에너지의 안정화를 위해 더 높은 난류 점성계수의 필요성을 시사한다.