[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究调查了在综合海洋环流模型中，为保持大尺度环流模式（如墨西哥湾流）所需的最少方程参数化集合。基于MITgcm的北大西洋配置，研究结果表明，仅对温度和盐度的示踪方程进行增强，而保持动量方程和大气方程不变，即可充分维持大尺度环流，其表现优于仅对动量方程进行参数化的方案，后者会恶化示踪场并破坏环流结构。

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.

研究动机与目标

• 确定在低分辨率模型中维持准确大尺度海洋环流所必须参数化的最少方程集合。
• 评估仅对动量方程进行参数化是否足以保持大尺度流型。
• 评估对示踪方程（温度和盐度）进行参数化对大尺度环流保真度的影响。
• 确定大气模型或流体动力学方程是否需要参数化以准确表示墨西哥湾流。
• 探讨示踪方程增强在维持粗网格模拟中能量转换与耗散过程中的作用。

提出的方法

• 在北大西洋配置下使用MITgcm，采用两种分辨率：1/12°（真实解）和1/3°（粗分辨率解）。
• 通过解的增强应用完美参数化技术：φA = φ + η(φ − φ̄)，其中φ为粗分辨率解，φ̄为真实解。
• 分别且组合地对特定方程（动量、示踪、大气）进行增强，以隔离其影响。
• 进行η = 1的增强幅度模拟，并分析包括涡度、海表温度、盐度和海面高度在内的时变场。
• 监测动能与势能之间的转换以及黏性耗散，以评估能量平衡的变化。
• 仅在墨西哥湾流区域进行局部增强，以测试示踪参数化的空间效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可能仅通过参数化示踪方程（温度和盐度）在粗分辨率海洋模型中保持大尺度海洋环流？
• RQ2 当仅对动量方程和大气模型进行参数化而未校正示踪场时，大尺度流会发生什么变化？
• RQ3 仅在墨西哥湾流区域对示踪方程进行局部增强，是否能与全局增强同样有效地保持大尺度环流？
• RQ4 与真实解相比，仅对示踪方程进行参数化如何影响能量转换（势能到动能）和黏性耗散？
• RQ5 为何仅对一个示踪方程进行参数化会导致高频波污染迅速加剧，从而破坏大尺度流的相干性？

主要发现

• 仅对动量方程和大气模型进行参数化，会导致温度和盐度场严重退化，破坏墨西哥湾流的结构并削弱其流动。
• 仅对示踪方程（温度和盐度）进行增强，即可充分维持大尺度环流，包括墨西哥湾流及其延伸区，且对其他方程影响极小。
• 仅在墨西哥湾流区域进行示踪方程的局部增强，其结果在定性上与全局增强完全一致，表明具有空间效率。
• 仅对一个示踪方程（如温度或盐度）进行增强，会导致解迅速被高频波污染，破坏大尺度流的相干性。
• 增强后的仅示踪方程解显示出势能（PE）向动能（KE）的转换量约为未校正粗分辨率解的十倍，表明能量传递得到改善。
• 增强解中的黏性耗散约为真实解的三倍，表明可能需要增加涡黏性以稳定过量的动能。