地域海洋モデリングシステム

地域海洋モデリングシステム（ROMS）は、自由表面、地形追従、プリミティブ方程式に基づく海洋モデルであり、科学界で様々な用途に広く利用されています。このモデルは、ラトガース大学、カリフォルニア大学ロサンゼルス校、そして世界中の貢献者によって開発・サポートされています。

ROMSは、海洋の特定の領域が加熱や風などの物理的強制力にどのように反応するかをモデル化するために使用されます。また、特定の海洋システムが堆積物、淡水、氷、栄養塩などの入力にどのように反応するかをモデル化するためにも使用できます。これには、ROMSフレームワーク内にネストされた結合モデルが必要です。

フレームワーク

ROMSは4次元モデリングシステムです。これは、与えられた時間（時間を4次元とみなします）にわたって実行できる3次元モデル（2次元の水平グリッドと垂直グリッド）です。ROMSは、水柱を構成する垂直レベルと、モデル領域の2次元直交座標面の座標を構成する水平セルにグリッド化されています。

カーネル

ROMS フレームワークの中心となるのは、動的/数値的コアまたはカーネルと呼ばれる 4 つのモデルです。

  1. 非線形モデルカーネル（NLM）：NLROMS [ 1 ] [ 2 ]
  2. 摂動接線線形モデルカーネル（TLM）：TLROMS
  3. 有限振幅接線線形表現モデルカーネル（RPM）：RPROMS
  4. 随伴モデルカーネル（ADM）：ADROMS [ 3 ]

垂直グリッド

垂直グリッドはハイブリッド ストレッチ グリッドです。ハイブリッドである理由は、そのストレッチ間隔が 1)プリンストン海洋モデルで使用される等間隔のシグマ グリッドと 2) 静的な深度間隔を持つ真の Z グリッドの 2 つの極端な例の間に位置するからです。垂直グリッドを圧縮または伸長させることで、サーモクラインや底部境界層などの関心領域の解像度を増減できます。垂直方向のグリッド伸長は海底地形に沿い、海山などの地形上の理想的な水の流れを考慮に入れています。[ 4 ]垂直グリッドの番号は、底層水から上に向かって空気と水の境界面まで付けられます。底層水位はレベル 1 で、最上層の表面水位が最高番号 (レベル 20 など) です。結合された堆積物モジュールを使用すると、堆積物の海底レベルの番号は、堆積物と水の境界面から下に向かって付けられます。最上層の海底レベルがレベル 1 で、最も深い海底レベルが最高番号です。

水平グリッド

水平グリッドは構造化グリッドであり、長方形の4辺を持つグリッドセル構造を持っています。また、水平グリッドは直交曲線グリッドであるため、関心のある海洋グリッドセルを最大化し、余分な陸地グリッドセルを最小化します。水平グリッドはスタッガードグリッド、またはArakawa-Cグリッドでもあり、南北方向と東西方向の速度は各グリッドセルの端で計算され、密度などのスカラー変数の値は各グリッドセルの中心、つまり「ローポイント」で計算されます。

物理

垂直方向と水平方向の両方において、デフォルトの方程式は中心化2次差分法を使用します。必要に応じて、例えば放物線スプライン再構成法など、より高次の差分法も利用できます。[ 2 ]

一般に、ROMS で使用される物理スキームは、次の 3 つの支配方程式に基づいています。

  1. 連続
  2. 運動量保存則（ナビエ・ストークス）
  3. トレーサー変数（塩分濃度や温度など）の輸送方程式

方程式は結合されており、数値解を使用してモデル グリッド内の各位置で 5 つの未知数を解きます。

  • 東西速度（u）
  • 南北速度（v）
  • 垂直速度（w）
  • 塩分
  • 温度

ソースコード

ROMSはオープンアクセスのソースコードを使用しており、オンラインリクエストフォームに記入することでダウンロードできます。ROMSはC言語で実行され、共有コンピューティング用途向けに開発されました。ソースコードをダウンロードするには、ユーザーはアカウントを作成し、ROMSウェブサイトで開発者にリクエストを提出する必要があります。

入出力

入力

海岸線などの境界は、陸域と海域のマスキングを用いて特定の地域に指定することができます。上側の垂直境界である大気と海の境界には、Fairall et al. (1996) によって開発された相互作用スキームが用いられます。[ 5 ]下側の垂直境界である堆積物と水の境界には、Styles and Glenn (2000) によって開発された底部応力または底部境界層スキームが用いられます。[ 6 ]

実装者が特定の海洋地域に対して ROMS を実行するために必要な入力には、次のものが含まれます。

  • 水深と海岸線
  • 淡水の流入
  • 風
  • 潮汐
  • オープン境界強制（再解析製品や特定のデータなどの理想化されたもの）
  • 熱流束
  • 物理的な混合（上記参照）

ROMSのプログラミングフレームワークは、地球システムモデリングフレームワーク（ESMF）の標準である「初期化」、「実行」、「終了」の3つの部分に分かれています。「実行」は3つの部分の中で最も大きく、ユーザーはここで使用するオプションを選択し、必要に応じてデータを同化します。[ 7 ]モデル実行は、実行前に初期化またはコンパイルする必要があります。

出力

モデル実行ファイルの出力形式はnetCDFです。モデル出力は、MATLABやPythonなどの独立した二次プログラミングソフトウェアを使用して視覚化されることがよくあります。NASAのPanoply Data Viewerなどのシンプルな視覚化ソフトウェアも、教育やデモンストレーションの目的でモデル出力を視覚化するために使用できます。

ユーザーオプション

ROMSの一般的なアプローチは、モデル実装者に高いレベルの自由と責任を与えます。1つのアプローチでは、モデルが現在使用されている多様なアプリケーションのニーズをすべて満たすことはできません。したがって、利用可能な各オプションをどのように使用するかは、各モデル実装者（個人または研究グループ）に委ねられます。オプションには、以下のようなものがあります。

  • 水平方向と垂直方向の配合の混合
  • 垂直グリッドストレッチ
  • 処理モード（シリアル、MPI による並列、OpenMP による並列）
  • デバッグのオン/オフ[ 8 ]

ROMS を使用する際に、実装者が問題やバグに遭遇した場合は、ROMS フォーラムに報告することができます。

アプリケーション

JPL ROMS グループが 1 km 解像度 (超高解像度とも呼ばれる) で作成した、2013 年 12 月の毎日の全球海面温度 (SST) データ セット。

ROMSの汎用性は、様々なシステムや地域への多様な応用によって実証されています。ROMSは、メソスケールシステム[ 9 ] 、つまり1kmから100kmのグリッド間隔といった高解像度でマッピングできるシステムに最適です。

結合モデルの応用

生物地球化学モデル、生物光学モデル、海氷モデル、堆積物モデル、その他のモデルをROMSフレームワークに組み込むことで、特定のプロセスを研究することができます。これらのモデルは通常、世界の海洋の特定の地域向けに開発されていますが、他の地域にも適用可能です。例えば、ROMSの海氷アプリケーションは、もともとバレンツ海地域向けに開発されました。[ 10 ]

ROMS モデリングの取り組みは、ブイ、衛星、船舶搭載の航行中サンプリング システム などの観測プラットフォームとますます統合され、海洋状況のより正確な予測が可能になっています。

地域アプリケーション

世界の海洋の特定の地域におけるROMSの応用はますます増えています。これらの統合海洋モデリングシステムでは、循環コンポーネントにROMSを使用し、その他の重要な変数やプロセスを追加しています。以下にいくつか例を挙げます。

  • 海洋大気波浪堆積物結合輸送（COAWST）[ 11 ]
  • 棚斜面光学予測実験システム（ESPRESSO）
  • ニューヨーク港湾観測予測システム（NYHOPS）
  • チェサピーク湾河口炭素・生物地球化学（ChesROMS ECB）[ 12 ]
  • アラスカ湾の気候指標[ 13 ]
  • LiveOcean北東太平洋とサリッシュ海の日次予報モデル
  • 西地中海運用予測システム（WMOP）[ 14 ]

参照

参考文献

  1. ^ Shchepetkin, Alexander F. (2003). 「非整列鉛直座標を用いた海洋モデルにおける水平圧力勾配力の計算法」 . Journal of Geophysical Research . 108 (C3): 3090. Bibcode : 2003JGRC..108.3090S . doi : 10.1029/2001jc001047 . ISSN  0148-0227 .
  2. ^ a b Shchepetkin, AF; McWilliams, JC (2005).地域海洋モデリングシステム：分割明示的自由表面地形追従座標海洋モデル, 2003.カリフォルニア州ロサンゼルス：カリフォルニア大学ロサンゼルス校：地球物理学・惑星物理学研究所.{{cite book}}: CS1 maint: publisher location (link)
  3. ^ Moore, Andrew M.; Arango, Hernan G.; Di Lorenzo, Emanuele; Cornuelle, Bruce D.; Miller, Arthur J.; Neilson, Douglas J. (2004-01-01). 「地域海洋モデルの接線線形および随伴法に基づく包括的な海洋予測・解析システム」.海洋モデリング. 7 ( 1–2 ): 227– 258. Bibcode : 2004OcMod...7..227M . doi : 10.1016/j.ocemod.2003.11.001 . ISSN 1463-5003 . 
  4. ^ Song, Yuhe; Haidvogel, Dale (1994-11-01). 「一般化地形追従座標系を用いた半暗黙的海洋循環モデル」. J​​ournal of Computational Physics . 115 (1): 228– 244. Bibcode : 1994JCoPh.115..228S . doi : 10.1006/jcph.1994.1189 . ISSN 0021-9991 . 
  5. ^ Fairall, CW; Bradley, EF; Rogers, DP; Edson, JB; Young, GS (1996-02-15). 「熱帯海洋-全球大気結合海洋大気応答実験における大気-海流フラックスのバルクパラメータ化」. Journal of Geophysical Research: Oceans . 101 (C2): 3747– 3764. Bibcode : 1996JGR...101.3747F . CiteSeerX 10.1.1.469.6689 . doi : 10.1029/95jc03205 . ISSN 0148-0227 .  
  6. ^ Styles, Richard; Glenn, Scott M. (2000-10-15). 「大陸棚における成層波と海底境界層のモデリング」 . Journal of Geophysical Research: Oceans . 105 (C10): 24119– 24139. Bibcode : 2000JGR...10524119S . doi : 10.1029/2000jc900115 . ISSN 0148-0227 . S2CID 140144365 .  
  7. ^ "ROMS > start" . www.myroms.org . 2019年2月8日閲覧。
  8. ^ Hedstrom, Katherine S. (2016). 「海氷／海洋循環結合モデル技術マニュアル（バージョン5）」（PDF） . OCS研究BOEM 2016-037. 協力協定番号M15AC00011 .
  9. ^ 「Met Office: Mesoscale modelling」 . 2010年12月29日. 2010年12月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年4月26日閲覧。
  10. ^ Budgell, WP (2005-12-01). 「バレンツ海地域における海氷変動の数値シミュレーション」.海洋ダイナミクス. 55 ( 3–4 ): 370– 387. doi : 10.1007/s10236-005-0008-3 . ISSN 1616-7341 . S2CID 54845941 .  
  11. ^ Warner, John C.; Armstrong, Brandy; He, Ruoying; Zambon, Joseph B. (2010-01-01). 「海洋・大気・波浪・堆積物輸送結合モデル（COAWST）の開発」（PDF） .海洋モデリング. 35 (3): 230– 244. Bibcode : 2010OcMod..35..230W . doi : 10.1016/j.ocemod.2010.07.010 . hdl : 1912/4099 . ISSN 1463-5003 . 
  12. ^ Feng, Yang; Friedrichs, Marjorie AM; Wilkin, John; Tian, Hanqin; Yang, Qichun; Hofmann, Eileen E .; Wiggert, Jerry D.; Hood, Raleigh R. (2015). 「陸域-河口域海洋生物地球化学モデリングシステムによるチェサピーク湾窒素フラックス：モデルの説明、評価、および窒素収支」 . Journal of Geophysical Research: Biogeosciences . 120 (8 ) : 1666– 1695. Bibcode : 2015JGRG..120.1666F . doi : 10.1002/2015jg002931 . PMC 5014239. PMID 27668137 .  
  13. ^ Combes, Vincent; Di Lorenzo, Emanuele (2007-10-01). 「アラスカ湾メソスケール循環の固有および強制年々変動」. Progress in Oceanography . 75 (2): 266– 286. Bibcode : 2007PrOce..75..266C . doi : 10.1016/j.pocean.2007.08.011 . hdl : 1853/14532 . ISSN 0079-6611 . 
  14. ^ 「SOCIBシステムの説明」www.socib.es . 2022年8月14日閲覧。
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