Региональная система моделирования океана

Региональная система моделирования океана (ROMS) представляет собой модель океана со свободной поверхностью, повторяющую рельеф местности и основанную на примитивных уравнениях , широко используемую научным сообществом для широкого спектра приложений. Модель разработана и поддерживается исследователями из Университета Рутгерса , Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и участниками со всего мира.

ROMS используется для моделирования того, как данный регион океана реагирует на физические воздействия, такие как нагрев или ветер. Его также можно использовать для моделирования того, как данная океаническая система реагирует на такие факторы, как отложения, пресная вода, лед или питательные вещества, для чего требуются связанные модели, вложенные в структуру ROMS.

Рамки

ROMS — это система 4D-моделирования. Это трехмерная модель (двухмерная горизонтальная сетка и вертикальная сетка), которую можно запускать в течение заданного периода времени, причем время является четвертым измерением. Он разделен на вертикальные уровни, которые составляют толщу воды, и горизонтальные ячейки, которые составляют координаты 2D декартовой плоскости области модели.

Ядро

Центральное место в структуре ROMS занимают четыре модели, которые образуют так называемое динамическое/числовое ядро или ядро:

Ядро нелинейной модели (NLM): NLROMS ^[1]^[2]
Ядро касательной линейной модели возмущений (TLM): TLROMS
Ядро модели линейного представителя тангенса конечной амплитуды (RPM): RPROMS
Ядро сопряженной модели (ADM): ADROMS ^[3]

Вертикальная сетка

Вертикальная сетка представляет собой гибридную растянутую сетку. Он является гибридным в том смысле, что его интервалы растяжения находятся где-то между двумя крайностями: 1) равномерно расположенной сигма-сеткой, используемой в Принстонской модели океана , и 2) истинной z-сеткой со статическим интервалом глубины. Вертикальную сетку можно сжимать или растягивать, чтобы увеличить или уменьшить разрешение интересующей области, например термоклина или нижнего пограничного слоя. Растягивание сетки в вертикальном направлении повторяет топографию дна, обеспечивая идеализированный поток воды над такими объектами, как подводные горы. ^[4] Нумерация вертикальной сетки идет от нижних вод вверх к границе раздела воздух-вода: уровень нижних вод — это уровень 1, а самый верхний уровень поверхностных вод — это самый высокий номер (например, уровень 20). При использовании связанного модуля отложений нумерация уровней морского дна идет от границы раздела осадочных пород и воды вниз: самый верхний уровень морского дна — это уровень 1, а самый глубокий уровень морского дна — это самый высокий номер.

Горизонтальная сетка

Горизонтальная сетка представляет собой структурированную сетку, то есть она имеет прямоугольную четырехстороннюю структуру ячеек сетки. Горизонтальная сетка также является ортогональной криволинейной сеткой, что означает, что она максимизирует интересующие ячейки сетки океана и минимизирует дополнительные ячейки сетки суши. Горизонтальная сетка также представляет собой шахматную сетку или сетку Аракавы-C , где скорости в направлениях север-юг и восток-запад рассчитываются на краях каждой ячейки сетки, а значения скалярных переменных, таких как плотность, рассчитываются на границах каждой ячейки сетки. центр каждой ячейки сетки, известный как «ро-точки».

Физика

Как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях уравнения по умолчанию используют центрированные схемы конечных разностей второго порядка . При желании доступны схемы более высокого порядка, например, с использованием параболической сплайновой реконструкции. ^[2]

В общем, физические схемы, используемые ROMS, основаны на трех основных уравнениях:

Непрерывность
Сохранение импульса ( Навье-Стокса )
Уравнения переноса переменных-индикаторов (таких как соленость и температура)

Уравнения объединяются для решения пяти неизвестных в каждом месте сетки модели с использованием численных решений:

Скорость восток-запад (u)
Скорость север-юг (v)
Вертикальная скорость (w)
Соленость
Температура

Исходный код

ROMS использует исходный код с открытым доступом, который можно скачать, заполнив форму онлайн-запроса. Он работает на базе C-процессинга и был разработан для совместного использования вычислений. Для загрузки исходного кода пользователю необходимо создать учетную запись и отправить запрос разработчикам на сайте ROMS .

Ввод и вывод

Вход

Границы, такие как береговые линии, могут быть указаны для данного региона с использованием маскировки суши и моря. Верхняя вертикальная граница, граница раздела воздух-море, использует схему взаимодействия, разработанную Fairall et al. (1996). ^[5] Нижняя вертикальная граница, граница раздела осадок-вода , использует схему донного напряжения или донного пограничного слоя, разработанную Стайлсом и Гленном (2000). ^[6]

Входные данные, необходимые разработчику для запуска ROMS для конкретного региона океана, включают:

Батиметрия и береговая линия
Вход пресной воды
Ветер
Приливы
Воздействие на открытые границы (идеализированное, например, результат повторного анализа или конкретные данные)
Тепловой поток
Физическое смешивание (см. выше)

Структура программирования ROMS разделена на три части: «Инициализация», «Запуск» и «Финализация», которые являются стандартными для платформы моделирования системы Земли (ESMF). «Запуск» — самая большая из этих трех частей, где пользователь выбирает, какие параметры он хочет использовать, и при желании усваивает данные. ^[7] Перед запуском модели необходимо инициализировать или скомпилировать ее.

Выход

Выходной формат файлов запуска модели — netCDF . Выходные данные модели часто визуализируются с использованием независимого дополнительного программного обеспечения для программирования, такого как MATLAB или Python. Простое программное обеспечение для визуализации, такое как Panoply Data Viewer от НАСА , также можно использовать для визуализации результатов модели в учебных или демонстрационных целях.

Опции пользователя

Общий подход ROMS дает разработчикам моделей высокий уровень свободы и ответственности. Один подход не может удовлетворить потребности всех разнообразных приложений, для которых в настоящее время используется модель. Таким образом, каждый разработчик модели (отдельно или исследовательская группа) должен выбирать, как он хочет использовать каждый из доступных вариантов. Варианты включают в себя такие варианты, как:

Смешивание составов в горизонтальном и вертикальном направлениях
Вертикальное растяжение сетки
Режим обработки (последовательный, параллельный с MPI или параллельный с OpenMP)
Отладка включена или выключена ^[8]

Если при использовании ROMS разработчик сталкивается с проблемой или ошибкой, он может сообщить об этом на форум ROMS .

Приложения

Универсальность ROMS доказана его разнообразным применением в различных системах и регионах. Его лучше всего применять к мезомасштабным системам, ^[9] или те системы, которые можно нанести на карту с высоким разрешением, например, с шагом сетки от 1 до 100 км.

Приложения связанных моделей

Биогеохимические, биооптические модели, модели морского льда, отложений и другие модели могут быть встроены в структуру ROMS для изучения конкретных процессов. Обычно они разрабатываются для конкретных регионов мирового океана, но могут применяться и в других местах. Например, применение ROMS для морского льда изначально было разработано для региона Баренцева моря. ^[10]

Усилия по моделированию ROMS все чаще сочетаются с наблюдательными платформами, такими как буи , спутники и судовые системы отбора проб, чтобы обеспечить более точный прогноз состояния океана.

Региональные приложения

Постоянно растет число применений ROMS в отдельных регионах мирового океана. Эти интегрированные системы моделирования океана используют ROMS для компонента циркуляции и добавляют другие интересующие переменные и процессы. Вот несколько примеров:

Совместный перенос океан-атмосфера-волны-отложения (COAWST) ^[11]
Экспериментальная система прогнозирования шельфовой и наклонной оптики (ЭСПРЕССО)
Система наблюдения и прогнозирования в гавани Нью-Йорка (NYHOPS)
Углерод и биогеохимия эстуария Чесапикского залива (ChesROMS ECB) ^[12]
Климатические показатели в заливе Аляска ^[13]
Модель ежедневного прогноза LiveOcean для северо-восточной части Тихого океана и моря Салиш
Система оперативного прогнозирования Западного Средиземноморья (WMOP) ^[14]

См. также

Ссылки

^ Щепеткин, Александр Ф. (2003). «Метод расчета силы горизонтального градиента давления в модели океана с невыровненной вертикальной координатой» . Журнал геофизических исследований . 108 (C3): 3090. Бибкод : 2003JGRC..108.3090S . дои : 10.1029/2001jc001047 . ISSN 0148-0227 .
^ Jump up to: ^а ^б Щепеткин А.Ф.; Маквильямс, Джей Си (2005). Система регионального моделирования океана: модель океана с разделенной явной поверхностью и свободной поверхностью, топография которой следует координатам, 2003 г. Лос-Анджелес, Калифорния: Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе: Институт геофизики и физики планет.
^ Мур, Эндрю М.; Аранго, Эрнан Г.; Ди Лоренцо, Эмануэле; Корнуэль, Брюс Д.; Миллер, Артур Дж.; Нилсон, Дуглас Дж. (1 января 2004 г.). «Комплексная система прогнозирования и анализа океана, основанная на касательной линейной и сопряженной региональной модели океана». Моделирование океана . 7 (1–2): 227–258. Бибкод : 2004OcMod...7..227M . дои : 10.1016/j.ocemod.2003.11.001 . ISSN 1463-5003 .
^ Сун, Юхэ; Хайдфогель, Дейл (1 ноября 1994 г.). «Полунеявная модель циркуляции океана с использованием обобщенной системы координат, соответствующей топографии». Журнал вычислительной физики . 115 (1): 228–244. Бибкод : 1994JCoPh.115..228S . дои : 10.1006/jcph.1994.1189 . ISSN 0021-9991 .
^ Фэйролл, CW; Брэдли, EF; Роджерс, ДП; Эдсон, Дж. Б.; Янг, Г.С. (15 февраля 1996 г.). «Объемная параметризация потоков воздух-море для эксперимента по реагированию тропической океан-глобальной атмосферы на океанскую атмосферу». Журнал геофизических исследований: Океаны . 101 (С2): 3747–3764. Бибкод : 1996JGR...101.3747F . CiteSeerX 10.1.1.469.6689 . дои : 10.1029/95jc03205 . ISSN 0148-0227 .
^ Стайлз, Ричард; Гленн, Скотт М. (15 октября 2000 г.). «Моделирование стратифицированных волн и течений придонных пограничных слоев на континентальном шельфе» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 105 (С10): 24119–24139. Бибкод : 2000JGR...10524119S . дои : 10.1029/2000jc900115 . ISSN 0148-0227 . S2CID 140144365 .
^ «ROMS > старт» . www.myroms.org . Проверено 8 февраля 2019 г.
^ Хедстрем, Кэтрин С. (2016). «Техническое руководство для совместной модели циркуляции морского льда и океана (версия 5)» (PDF) . Исследование OCS БОЭМ 2016-037. Договор о сотрудничестве № М15АС00011 .
^ «Метеорологическое бюро: мезомасштабное моделирование» . 29 декабря 2010 г. Архивировано из оригинала 29 декабря 2010 г. Проверено 26 апреля 2018 г.
^ Баджелл, WP (1 декабря 2005 г.). «Численное моделирование изменчивости льда и океана в регионе Баренцева моря». Динамика океана . 55 (3–4): 370–387. дои : 10.1007/s10236-005-0008-3 . ISSN 1616-7341 . S2CID 54845941 .
^ Уорнер, Джон К.; Армстронг, Брэнди; Он, Жуойинг; Замбон, Джозеф Б. (1 января 2010 г.). «Разработка системы моделирования совместного переноса океан-атмосфера-волны-отложения (COAWST)» (PDF) . Моделирование океана . 35 (3): 230–244. Бибкод : 2010OcMod..35..230W . дои : 10.1016/j.ocemod.2010.07.010 . hdl : 1912/4099 . ISSN 1463-5003 .
^ Фэн, Ян; Фридрихс, Марджори AM; Уилкин, Джон; Тянь, Ханцинь; Ян, Цичунь; Хофманн, Эйлин Э .; Виггерт, Джерри Д.; Худ, Рэли Р. (2015). «Потоки азота в Чесапикском заливе, полученные на основе системы биогеохимического моделирования суши-эстуария океана: описание модели, оценка и балансы азота» . Журнал геофизических исследований: Биогеонауки . 120 (8): 1666–1695. Бибкод : 2015JGRG..120.1666F . дои : 10.1002/2015jg002931 . ПМК 5014239 . ПМИД 27668137 .
^ Комбс, Винсент; Ди Лоренцо, Эмануэле (01 октября 2007 г.). «Внутренняя и вынужденная межгодовая изменчивость мезомасштабной циркуляции залива Аляски». Прогресс в океанографии . 75 (2): 266–286. Бибкод : 2007Proce..75..266C . дои : 10.1016/j.pocean.2007.08.011 . hdl : 1853/14532 . ISSN 0079-6611 .
^ «Описание системы SOCIB» . www.socib.es . Проверено 14 августа 2022 г.

Внешние ссылки

[1] Щепеткин, Александр Ф. (2003). «Метод расчета силы горизонтального градиента давления в модели океана с невыровненной вертикальной координатой» . Журнал геофизических исследований . 108 (C3): 3090. Бибкод : 2003JGRC..108.3090S . дои : 10.1029/2001jc001047 . ISSN 0148-0227 .

[:0-2] Jump up to: ^а ^б Щепеткин А.Ф.; Маквильямс, Джей Си (2005). Система регионального моделирования океана: модель океана с разделенной явной поверхностью и свободной поверхностью, топография которой следует координатам, 2003 г. Лос-Анджелес, Калифорния: Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе: Институт геофизики и физики планет.

[3] Мур, Эндрю М.; Аранго, Эрнан Г.; Ди Лоренцо, Эмануэле; Корнуэль, Брюс Д.; Миллер, Артур Дж.; Нилсон, Дуглас Дж. (1 января 2004 г.). «Комплексная система прогнозирования и анализа океана, основанная на касательной линейной и сопряженной региональной модели океана». Моделирование океана . 7 (1–2): 227–258. Бибкод : 2004OcMod...7..227M . дои : 10.1016/j.ocemod.2003.11.001 . ISSN 1463-5003 .

[4] Сун, Юхэ; Хайдфогель, Дейл (1 ноября 1994 г.). «Полунеявная модель циркуляции океана с использованием обобщенной системы координат, соответствующей топографии». Журнал вычислительной физики . 115 (1): 228–244. Бибкод : 1994JCoPh.115..228S . дои : 10.1006/jcph.1994.1189 . ISSN 0021-9991 .

[5] Фэйролл, CW; Брэдли, EF; Роджерс, ДП; Эдсон, Дж. Б.; Янг, Г.С. (15 февраля 1996 г.). «Объемная параметризация потоков воздух-море для эксперимента по реагированию тропической океан-глобальной атмосферы на океанскую атмосферу». Журнал геофизических исследований: Океаны . 101 (С2): 3747–3764. Бибкод : 1996JGR...101.3747F . CiteSeerX 10.1.1.469.6689 . дои : 10.1029/95jc03205 . ISSN 0148-0227 .

[6] Стайлз, Ричард; Гленн, Скотт М. (15 октября 2000 г.). «Моделирование стратифицированных волн и течений придонных пограничных слоев на континентальном шельфе» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 105 (С10): 24119–24139. Бибкод : 2000JGR...10524119S . дои : 10.1029/2000jc900115 . ISSN 0148-0227 . S2CID 140144365 .

[7] «ROMS > старт» . www.myroms.org . Проверено 8 февраля 2019 г.

[8] Хедстрем, Кэтрин С. (2016). «Техническое руководство для совместной модели циркуляции морского льда и океана (версия 5)» (PDF) . Исследование OCS БОЭМ 2016-037. Договор о сотрудничестве № М15АС00011 .

[9] «Метеорологическое бюро: мезомасштабное моделирование» . 29 декабря 2010 г. Архивировано из оригинала 29 декабря 2010 г. Проверено 26 апреля 2018 г.

[10] Баджелл, WP (1 декабря 2005 г.). «Численное моделирование изменчивости льда и океана в регионе Баренцева моря». Динамика океана . 55 (3–4): 370–387. дои : 10.1007/s10236-005-0008-3 . ISSN 1616-7341 . S2CID 54845941 .

[11] Уорнер, Джон К.; Армстронг, Брэнди; Он, Жуойинг; Замбон, Джозеф Б. (1 января 2010 г.). «Разработка системы моделирования совместного переноса океан-атмосфера-волны-отложения (COAWST)» (PDF) . Моделирование океана . 35 (3): 230–244. Бибкод : 2010OcMod..35..230W . дои : 10.1016/j.ocemod.2010.07.010 . hdl : 1912/4099 . ISSN 1463-5003 .

[12] Фэн, Ян; Фридрихс, Марджори AM; Уилкин, Джон; Тянь, Ханцинь; Ян, Цичунь; Хофманн, Эйлин Э .; Виггерт, Джерри Д.; Худ, Рэли Р. (2015). «Потоки азота в Чесапикском заливе, полученные на основе системы биогеохимического моделирования суши-эстуария океана: описание модели, оценка и балансы азота» . Журнал геофизических исследований: Биогеонауки . 120 (8): 1666–1695. Бибкод : 2015JGRG..120.1666F . дои : 10.1002/2015jg002931 . ПМК 5014239 . ПМИД 27668137 .

[13] Комбс, Винсент; Ди Лоренцо, Эмануэле (01 октября 2007 г.). «Внутренняя и вынужденная межгодовая изменчивость мезомасштабной циркуляции залива Аляски». Прогресс в океанографии . 75 (2): 266–286. Бибкод : 2007Proce..75..266C . дои : 10.1016/j.pocean.2007.08.011 . hdl : 1853/14532 . ISSN 0079-6611 .

[14] «Описание системы SOCIB» . www.socib.es . Проверено 14 августа 2022 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]