Modelo de circulação geral do oceano - Ocean general circulation model
Os modelos de circulação geral do oceano (OGCMs) são um tipo particular de modelo de circulação geral para descrever processos físicos e termodinâmicos nos oceanos. A circulação geral oceânica é definida como a escala de espaço horizontal e escala de tempo maior que a mesoescala (da ordem de 100 km e 6 meses). Eles representam os oceanos usando uma grade tridimensional que inclui a termodinâmica ativa e, portanto, são mais diretamente aplicáveis aos estudos climáticos. Eles são as ferramentas mais avançadas atualmente disponíveis para simular a resposta do sistema oceânico global ao aumento das concentrações de gases de efeito estufa . Foi desenvolvida uma hierarquia de OGCMs que inclui vários graus de cobertura espacial, resolução, realismo geográfico, detalhes do processo, etc.
História
A primeira geração de OGCMs assumiu uma “tampa rígida” para eliminar as ondas de gravidade externas de alta velocidade . De acordo com os critérios CFL sem essas ondas rápidas, podemos usar um intervalo de tempo maior, que não é tão caro computacionalmente. Mas também filtrou as marés oceânicas e outras ondas com a velocidade de tsunamis . Dentro dessa suposição, Kirk Bryan e seu colega de trabalho Micheal Cox desenvolveram um modelo 2D, um modelo de caixa 3D e, em seguida, um modelo de circulação total em GFDL , também com densidade variável, para o oceano mundial com sua costa complexa e topografia de fundo. A primeira aplicação com geometria global especificada foi feita no início dos anos 1970. Cox projetou uma grade de latitude-longitude de 2 ° com até 12 níveis verticais em cada ponto.
Com mais e mais pesquisas sobre o modelo oceânico, o fenômeno de mesoescala, por exemplo, a maioria das correntes oceânicas têm dimensões cruzadas iguais ao raio de deformação de Rossby , começaram a ter mais consciência. No entanto, para analisar esses redemoinhos e correntes em modelos numéricos, precisamos que o espaçamento da grade seja de aproximadamente 20 km em latitudes médias. Graças a esses computadores mais rápidos e à filtragem adicional das equações com antecedência para remover as ondas de gravidade internas, essas correntes principais e redemoinhos de baixa frequência podem ser resolvidos. Um exemplo são os modelos quase geostróficos de três camadas projetados por Holland. Enquanto isso, existem alguns modelos que retêm ondas gravitacionais internas, por exemplo, um modelo adiabático em camadas de O'Brien e seus alunos, que retêm ondas gravitacionais internas para que problemas equatoriais e costeiros envolvendo essas ondas possam ser tratados, levando a uma compreensão inicial de El Niño em termos dessas ondas.
No final da década de 1980, as simulações puderam finalmente ser realizadas usando a formulação GFDL com redemoinhos marginalmente resolvidos em domínios extensos e com ventos observados e alguma influência atmosférica na densidade. Além disso, essas simulações com resolução alta o suficiente, como o Oceano Antártico ao sul da latitude 25 °, o Atlântico Norte e o Oceano Mundial sem o Ártico, forneceram a primeira comparação lado a lado com os dados. No início da década de 1990, para aqueles modelos resolvíveis em grande escala e redemoinhos, o requisito de computador para o problema auxiliar 2D associado à aproximação de tampa rígida estava se tornando excessivo. Além disso, a fim de prever os efeitos das marés ou comparar os dados de altura de satélites, foram desenvolvidos métodos para prever a altura e a pressão da superfície do oceano diretamente. Por exemplo, um método é tratar a superfície livre e a velocidade média verticalmente usando muitos pequenos passos no tempo para cada passo do modelo 3D completo. Outro método desenvolvido no Laboratório Nacional de Los Alamos resolve as mesmas equações 2D usando um método implícito para a superfície livre. Ambos os métodos são bastante eficientes.
Importância
Os OGCMs têm muitas aplicações importantes: acoplamento dinâmico com a atmosfera, o gelo marinho e o escoamento terrestre que, na realidade, determinam conjuntamente os fluxos de fronteira oceânica; transpirar de materiais biogeoquímicos; interpretação do registro paleoclima, previsão do clima para a variabilidade natural e fendas antropogênicas; assimilação de dados e pesca e outra gestão biosférica. Os OGCMs desempenham um papel crítico no modelo do sistema terrestre . Eles mantêm o equilíbrio térmico enquanto transportam energia das latitudes tropicais para as polares. Para analisar o feedback entre o oceano e a atmosfera, precisamos de um modelo oceânico, que pode iniciar e amplificar as mudanças climáticas em muitas escalas de tempo diferentes, por exemplo, a variabilidade interanual do El Niño e a modificação potencial dos principais padrões de transporte de calor oceânico como resultado de aumentar os gases de efeito estufa. Os oceanos são uma espécie de sistema fluido da natureza com subamostragem, então, usando OGCMs, podemos preencher essas lacunas de dados e melhorar a compreensão dos processos básicos e sua interconexão, bem como ajudar a interpretar observações esparsas. Mesmo assim, modelos mais simples podem ser usados para estimar a resposta climática, apenas OGCM pode ser usado em conjunto com o modelo de circulação geral atmosférica para estimar as mudanças climáticas globais.
Tipos de grade
Existem diferentes tipos de grade que podem ser usados por OGCMs. Freqüentemente, há uma separação entre grades verticais e horizontais.
Tipos de grade horizontal
A maioria dos modelos usa um dos seguintes tipos de grade horizontal.
Grade de diferenças finitas
As grades de diferenças finitas são os tipos de grade mais comuns para OGCMs. Para as grades, as grades Arakawa são freqüentemente usadas. Na grade A, todas as quantidades são calculadas em um único ponto. Isso foi usado apenas em alguns dos primeiros OGCMs. No entanto, percebeu-se rapidamente que as soluções eram extremamente pobres. A grade B tem os componentes de velocidade nas bordas das caixas da grade de temperatura. Enquanto a grade C separa esses componentes de velocidade em um componente uev. Ambos ainda são usados atualmente em modelos diferentes.
Também é possível ter um chamado modelo de grade aninhada . Um modelo de grade aninhada é uma adaptação da grade de diferenças finitas na qual algumas partes têm uma densidade maior de pontos de grade.
Grade de elementos finitos
Às vezes, os modelos usam uma grade de elementos finitos . Aqui, as variáveis são resolvidas em uma grade triangular. A grande vantagem das grades de elementos finitos é que permitem uma resolução flexível em todo o domínio do modelo. Isso é especialmente útil ao estudar um fluxo em um ambiente próximo à costa, pois a costa pode ser mapeada com mais facilidade.
Grade Espectral
As grades espectrais são as menos utilizadas para OGCMs, embora sejam amplamente utilizadas em modelos de circulação atmosférica geral. Eles são mais difíceis de usar para modelagem oceânica por causa das condições de contorno mais complicadas do oceano em comparação com os modelos atmosféricos, onde são amplamente usados.
Tipos de grade vertical
As grades verticais usadas para modelos de circulação geral do oceano são frequentemente diferentes de suas contrapartes atmosféricas. Os modelos atmosféricos costumam usar a pressão como uma coordenada vertical devido à sua natureza isentrópica .
- coordenadas z
- coordenadas sigma
- coordenadas isopíclicas
Sistemas de coordenadas Z
O sistema de coordenadas z em que a altura é considerada uma coordenada é o tipo de sistema mais simples de implementar. As camadas são frequentemente de profundidade variável, com as camadas próximas ao topo do oceano sendo mais finas do que as camadas mais profundas. Isso ocorre porque os recursos mais próximos da superfície ocorrem em escalas menores. Os sistemas de coordenadas Z têm dificuldades em representar a camada limite inferior e o fluxo descendente devido à mistura diabática ímpar.
Coordenadas Sigma
Em um sistema de coordenadas sigma, a topografia inferior determina a espessura da camada vertical em cada ponto da grade horizontal. Similarmente ao sistema de coordenadas Z, as camadas são frequentemente mais espaçadas perto da superfície e / ou na parte inferior do que no interior. As coordenadas Sigma permitem que a camada limite seja melhor representada, mas têm dificuldades com erros de gradiente de pressão quando recursos de topografia de fundo nítido não são suavizados.
Modelos isopicnais
Os modelos isopycnal modelam a densidade potencial em um determinado nível de pressão como a coordenada vertical. As camadas, portanto, variam em espessura em todo o domínio. Este tipo de modelo é particularmente útil ao estudar o transporte do traçador. Isso ocorre porque os traçadores geralmente se movem ao longo de linhas de densidade constante. Os modelos isopycnal têm uma diferença sutil com os modelos em camadas. A principal diferença é se o modelo permite o desaparecimento dos isopicinais. Para modelos em camadas, os isopinicos não podem desaparecer, o que traz benefícios de velocidade computacional.
Parametrização de subgridscale
O atrito molecular raramente perturba os equilíbrios dominantes (geostrófico e hidrostático) no oceano. Com viscosidades cinemáticas de v = 10 −6 m 2 s −1, o número de Ekman é várias ordens de magnitude menor que a unidade; portanto, as forças de atrito molecular são certamente desprezíveis para movimentos oceânicos em grande escala. Um argumento semelhante é válido para as equações do traçador, onde a termodifusividade molecular e a difusividade do sal levam ao número de Reynolds de magnitude desprezível, o que significa que as escalas de tempo de difusão molecular são muito mais longas do que a escala de tempo advectiva. Portanto, podemos concluir com segurança que os efeitos diretos dos processos moleculares são insignificantes em grande escala. No entanto, o atrito molecular é essencial em algum lugar. A questão é que os movimentos em grande escala no oceano interagiam com outras escalas pelas não linearidades da equação primitiva. Podemos mostrar isso pela abordagem de Reynolds, o que nos levará ao problema de fechamento. Isso significa que novas variáveis surgem em cada nível do procedimento de média de Reynolds. Isso leva à necessidade de um esquema de parametrização para levar em conta os efeitos da escala da sub-grade.
Aqui está uma “árvore genealógica” esquemática de esquemas de mistura de subgridscale (SGS). Embora haja um grau considerável de sobreposição e inter-relação entre a enorme variedade de esquemas em uso hoje, vários pontos de ramificação podem ser definidos. Mais importante ainda, as abordagens para o fechamento da subgridscale lateral e vertical variam consideravelmente. Filtros e operadores de ordem superior são usados para remover o ruído de pequena escala que é numericamente necessário. Essas parametrizações dinâmicas especiais (tensão topográfica, difusão e convecção de espessuras parasitas) estão se tornando disponíveis para certos processos. Na vertical, a camada mista de superfície (sml) tem historicamente recebido atenção especial devido ao seu importante papel nas trocas ar-mar. Agora, há tantos esquemas que podem ser escolhidos: Price-Weller-Pinkel, Pacanowksi e Philander, bulk, Mellor-Yamada e esquemas de parametrização de perfil k (KPP).
Esquemas de comprimento de mistura adaptativo (não constante) são amplamente usados para parametrização de mistura lateral e vertical. Na horizontal, parametrizações dependentes das taxas de tensão e deformação (Smagroinsky), espaçamento da grade e número de Reynolds (Re) têm sido defendidas. Na vertical, a mistura vertical como uma frequência de estabilidade de função (N ^ 2) e / ou número de Richardson são historicamente prevalentes. O esquema de tensores de mistura rotacionados é aquele que considera o ângulo da direção principal de mistura, pois na termoclina principal a mistura ao longo de isopicnais domina a mistura diapecal. Portanto, a direção principal da mistura não é estritamente vertical nem puramente horizontal, mas uma mistura espacialmente variável das duas.
Spin-up de OGCMs
Os OGCMs requerem um longo tempo de rotação para serem capazes de representar de forma realista as bacias estudadas. O tempo de spin-up é o tempo que um modelo precisa para atingir um certo equilíbrio . Este equilíbrio é freqüentemente definido como um parâmetro estatístico no qual a mudança ao longo do tempo de uma gama de variáveis fica abaixo de um limite definido para um certo número de etapas de simulação. Para OGCMs de escala global, muitas vezes é um desafio chegar a esse estado. Pode levar milhares de anos de modelo para atingir um estado de equilíbrio de um modelo. A velocidade na qual esse equilíbrio é alcançado é determinada por processos lentos abaixo da termoclina .
Diminuindo o tempo de rotação
Houve muitas tentativas de diminuir o tempo de rotação dos OGCMs. Para acelerar a convergência de um modelo, vários métodos foram propostos. Melhores condições iniciais diminuem significativamente o tempo que um modelo precisa para girar. No entanto, isso nem sempre é possível, especialmente para o oceano profundo .
Outra abordagem é a abordagem distorcida da física. Isso funciona na base de que o oceano tem processos em escalas de tempo relativamente curtas acima da termoclina . Enquanto os processos abaixo da termoclina costumam ser difusivos e muito lentos. A aceleração desses processos é obtida diminuindo a capacidade de calor local, sem alterar o transporte e a mistura do calor. Isso torna a velocidade de atingir o equilíbrio para esses modelos muito mais rápida e quase tão eficiente quanto os modelos atmosféricos com resolução semelhante. Este método é muito bem-sucedido, pois não há (quase) alterações na solução final do modelo.
Também é possível reduzir o tempo de spin-up por extrapolação exponencial . Neste método, os campos de temperatura e salinidade são extrapolados repetidamente com a suposição de que eles decaem exponencialmente em direção ao seu valor de equilíbrio. Este método pode, em alguns casos, reduzir o tempo de rotação por um fator de dois ou três.
Um terceiro método proposto é o método de Newton-Krylov livre de jacobian . Este método usa os produtos do vetor-matriz obtidos de um jacobiano OGCM explícito . O método pode ser aplicado a muitos OGCMs explícitos existentes e pode acelerar significativamente o tempo de rotação.
Comparação com o modelo de circulação geral atmosférica
OGCMs e AGCMs têm muito em comum, como as equações de movimento e as técnicas numéricas. No entanto, os OGCMs têm alguns recursos exclusivos. Por exemplo, a atmosfera é forçada termicamente ao longo de seu volume, o oceano é forçado tanto térmica quanto mecanicamente principalmente em sua superfície, além disso, a geometria das bacias oceânicas é muito complexa. As condições de contorno são totalmente diferentes. Para os modelos oceânicos, precisamos considerar essas camadas limites estreitas, mas importantes, em quase todas as superfícies delimitadoras, bem como no interior do oceano. Essas condições de contorno nos fluxos oceânicos são difíceis de definir e parametrizar, o que resulta em uma alta demanda computacional.
A modelagem oceânica também é fortemente restringida pela existência em muitos oceanos do mundo de redemoinhos de mesoescala com escalas de tempo e espaço, respectivamente, de semanas a meses e dezenas a centenas de quilômetros. Dinamicamente, esses redemoinhos turbulentos quase geostróficos são as contrapartes oceanográficas da escala sinótica atmosférica. No entanto, existem diferenças importantes. Primeiro, redemoinhos oceânicos não são perturbações em um fluxo médio energético. Eles podem desempenhar um papel importante no transporte de calor na direção dos pólos. Em segundo lugar, eles são relativamente pequenos em extensão horizontal, de modo que os modelos de clima oceânico, que devem ter as mesmas dimensões exteriores gerais que os AGCMs, podem exigir até 20 vezes a resolução do AGCM se os redemoinhos forem explicitamente resolvidos.
Também existem mais restrições no OGCM devido à falta de dados para o oceano. A topografia inferior é especialmente deficiente. Grandes extensões do oceano não são mapeadas com muitos detalhes. Isso contrasta fortemente com a topografia terrestre, que pode ser mapeada em detalhes por altímetros de satélite. Isso cria incertezas ainda maiores nas condições de contorno. Em segundo lugar, a atmosfera só tem uma geometria mutável para os níveis inferiores na maior parte de sua extensão. Enquanto o oceano tem limites nítidos, grandes extensões de terra constituem condições de limite complexas.
OGCMs em Paleoceanografia
A relação entre o paleoclima e o efeito sobre a circulação oceânica tem sido amplamente estudada. As primeiras tentativas de fazer isso costumavam usar as forças atuais extrapoladas para o clima do passado a partir de proxies . O fechamento das diferentes passagens no oceano pode então ser simulado simplesmente bloqueando-as com uma linha fina na batimetria . Por exemplo, fechar a passagem do drake atual .
Hoje em dia, paleo batimetrias mais complicadas são usadas junto com melhores proxies. Para testar a qualidade dos modelos, foi estabelecido o Projeto Intercomparação de Modelagem Paleoclima .
Classificação
Podemos classificar os modelos oceânicos de acordo com diferentes padrões. Por exemplo, de acordo com as ordenadas verticais, temos modelos de geopotencial, isópico e de seguimento de topografia. De acordo com discretizações horizontais, temos grades não escalonadas ou escalonadas. De acordo com métodos de aproximação, temos modelos de diferenças finitas e de elementos finitos. Existem três tipos básicos de OGCMs:
- Modelos de geometria idealizados: os modelos com geometria de bacia idealizada têm sido usados extensivamente na modelagem de oceanos e têm desempenhado um papel importante no desenvolvimento de novas metodologias de modelagem. Eles usam uma geometria simplificada, oferecendo uma bacia em si, enquanto a distribuição dos ventos e da força de flutuação são geralmente escolhidos como funções simples de latitude.
- Modelos à escala da bacia: para comparar os resultados do OGCM com as observações, precisamos de informações realistas da bacia em vez de dados idealizados. No entanto, se prestarmos atenção apenas aos dados de observação local, não precisamos executar uma simulação global inteira e, ao fazer isso, podemos economizar muitos recursos computacionais.
- Modelos globais: este tipo de modelo é o mais caro do ponto de vista computacional. Mais experimentos são necessários como uma etapa preliminar na construção de modelos de sistemas terrestres acoplados.