전지구해양순환모형(OGCM)의 소개

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[OGCM 소개]

 

   전지구 대순환모형(Ocean General Circulation Model, OGCM)은 수치계산의 편의성을 도모하기 위하여 대부분 정수역학을 따르는 원시방정식(hydrostatic primitive equations)을 사용한다. 연직방향으로 지오포텐셜(z- or height) 좌표계를 사용하는 모형들이 가장 많으며 최근에는 지형추적(terrain-following, )과 등밀도(isopycnal)에 따른 좌표계를 사용하는 모형들도 개발되고 있다.

전지구 대순환모형에서 사용되는 일반화된 비점성 정수역학 원시방정식은 다음과 같으며 는 지오포텐셜 좌표계의 경우 , 지형추적 좌표계의 경우 , 등밀도 좌표계의 경우 를 의미한다.

 

  

  해양순환모형에는 전지구 대순환모형 이 외에도 지역순환모형(Regional Ocean Circulation Model)인 ECOM-si, POM, ROMS 등이 있으며, 국지 또는 연안 순환모형(Coastal Ocean Circulation Model)인 ADCIRC, FVCOM, SELFE 등의 수많은 모형들이 존재한다. 여기에서는 수많은 해양순환모형들 중에서 전지구를 대상으로 하는 대순환모형(OGCM)에 대해서만 그 주요특징들을 간략하게 설명하도록 하겠다. 모형의 설명 순서는 알파벳 순으로 나열하였다.

 

□ C-GOLDSTEIN : The C-GOLDSTEIN project

http://www.noc.soton.ac.uk/JRD/LSM/CGOLD/

이 모형은 간단화된 에너지-수분 균형(simplified energy-moisture balance) 대기모형과 열역학 해빙모형이 해양순환모형과 결합된 지구시스템 모형으로써 수천년에 이르는 기후변동을 매우 빠르게 모의하기 위해 개발된 고속 계산형 모형이다. 이 모형은 NERC e-Science project 인 GENIE(Grid ENabled Integrated Earth system modelling)의 토대가 되었으며 현재 버전 2가 개발되어 있다.

 

 

□ CHIME (Coupled Hadley-Isopycnic Model Experiment) : a new UK coupled climate model

http://www.noc.soton.ac.uk/JRD/LSM/CHIME/

Southampton 해양센터에서 새롭게 개발된 결합 기후모형으로써 OASIS 결합자를 이용하여 헤들리센터의 HadCM3 대기모형과 HYCOM 해양모형을 결합한 모형이다. 해양모형의 특징으로는 북극의 극점을 두 개로 나누어 육지로 옮긴 bipolar grid를 사용한 것이다. 이 모형의 장기모의 결과를 HadCM3 결합모형과 비교함으로써 하이브리드 좌표계를 사용하는 해양모형이 장기 기후모의에 미치는 영향을 분석할 수 있다.

 

□ ECBilt/Clio

http://www.knmi.nl/onderzk/CKO/ecbilt.html

ECBilt-Clio 모형은 중복잡(intermediate-complexity) 3차원 대기-해양-해빙 결합 대순환모형이다. 대기모형은 스펙트랄 T21 해상도의 ECBilt 모형(Opsteegh et al., 1998)이며 해양모형은 자유수면 모형으로 열역학-역학 해빙모형과 결합된 Clio 모형(Goosse and Fichefet, 1999)이다. Clio 모형의 수평해상도는 위경도 모두 3°이며 연직 방향으로 20개의 층으로 구성되어 있다. 이 모형은 현재 버전 3까지 개발되어있다.

 

□ FORTE : a fast Coupled General Circulation Model

http://www.noc.soton.ac.uk/JRD/LSM/FORTE/

Sinha와 Smith (2002)에 의해 개발된 이 모형은 중저해상도의 해양-대기 결합모형으로써 수 일에서 수 천년까지 모의가 가능한 모형이다. 이 모형은 OASIS 결합자를 이용하여 해양과 대기가 결합되었으며 사용된 해양모형은 MOM을 기본으로 개발된 MOMA(Webb, 1993)이고 대기모형은 영국 리딩대학에서 개발한 스펙트럴 모형의 IGCM3이다. 이 모형의 가장 큰 특징은 빠른 계산에 있는데 예를 들자면, AMD 1800XP CPU를 사용한 싱글 개인용 컴퓨터에서 100년 적분하는데 최대 50시간 밖에 걸리지 않는다.

 

□ GISS AOM (Atmosphere-Ocean Model)

http://aom.giss.nasa.gov/

미국 나사의 고다드 연구소(Goddard Institute for Space Studies, GISS)에서 수십년에서 수세기까지의 기후 예측을 위해 개발한 전지구 대기-해양 결합 모형이다. 이 모형은 4×3 AOM 으로 불리며, 대기와 해양 모두 경도 4도와 위도 3도의 해상도를 가지고 있고 연직으로는 대기모형은 12개의 층과 해양모형은 16개의 층으로 구성되어 있다.

 

□ HIM (Hallberg Isopycnal Model)

http://www.gfdl.noaa.gov/him-the-hallberg-isopycnal-model

HIM은 C-grid 기반의 등밀도 좌표계를 사용한 해양순환모형이며 modular C 프로그램언어로 쓰여졌다. 연직으로 등밀도 좌표계를 사용하기 때문에 MICOM 모형과 물리적으로 유사하지만, 프로그램 기법은 완전히 다른 모형이다. 최적화된 C의 모듈프로그램으로 다양한 시간적분기법이나 모수화, 차분화 등을 쉽게 적용해 볼수 있는데, 실예로 모형 내에 두가지 완전히 다른 시각적분 기법이 적용되어 있다. 이 모형은 GFDL의 GOLD 모형의 토대가 되는 모형이다.

 

□ HOPE (Hamburg Ocean Primitive Equation model)

http://meteora.ucsd.edu/~pierce/elnino/hope.html

독일의 막스플랑크 연구소(the Max Plank Institut for Meteorologie in Hamburg)에서 개발된 모형으로 열대 태평양에서의 혼합모수화에 상당한 노력을 기울인 모형이기 때문에 열대 태평양의 해류재현에 뛰어난 성능을 발휘하는 모형이다. 이 모형은 E-grid 기반으로 개발되어 그리드 형태가 통상의 박스 형태가 아닌 다이아몬드 형태를 가진다. 해상도는 기본 1° 간격으로 적도 부근에서는 0.5°로 줄어들며, 고위도로 갈수록 1.5°까지 늘어나게 구성되어있다.

 

□ HYCOM (HYbrid Coordinate Ocean Model)

http://hycom.org

HYCOM은 GODAE(U.S. Global Ocean Data Assimilation Experiment)의 National Ocean Partnership Program(NOPP)의 지원으로 자료동화된 혼합 등밀도-시그마-수압 좌표체계의 해양모형(data-assimilative hybrid isopycnal-sigma-pressure coordinate ocean model)의 검증을 위해 개발되었다. 이 모형은 MICOM을 기반으로 개발되었으며 MICOM의 단점인 연직 등밀도 좌표계를 보완하는 방법으로 개선되었다. 성층화가 잘되어 있는 곳은 등밀도 좌표계를 쓰며, 성층화가 약한 표층의 혼합층 같은 곳은 z-좌표계를 사용하고 수심이 얕은 곳은 지형추적 시그마 좌표계(terrain-following sigma coordinate)를 사용한다. HYCOM은 모형 개발 뿐만 아니라 자료동화에 의한 해양 현황 및 예측자료를 전지구에 대해 1/12°와 멕시코만에 대해 1/25° 해상도의 자료를 2003년부터 현재까지 제공하고 있다.

 

□ MICOM (Miami Isopycnic Coordinate Ocean Model) – Global

http://oceanmodelling.rsmas.miami.edu/ , ftp://nutmeg.rsmas.miami.edu/bleck/global/

MICOM은 등밀도 좌표체계의 해양순환모형이며, 다음과 같이 여러 기관에서 여러 버전의 모형이 개발되었다.

• MICOM at LANL

• MICOM at Netherlands Center for Climate Research

• MICOM – Parallel, Box, Global, Atlantic 등

또한, 이 모형은 HYCOM과 HIM 등의 모형의 토대가 되었으며, 원형은 지역해양순환모형으로 개발되었으나 전지구 모의가 가능한 버전도 제공을 한다.

 

□ MITgcm (MIT General Circulation Model)

http://mitgcm.org/

MITgcm은 다른 해양순환모형에 비하여 선도적인 특징을 가지고 있는 모형이다. 대부분의 해양순환모형은 정수역학체계의 모형인데 비하여 MITgcm은 비정수역학체계를 지원하며, 대기-해양 결합모형의 내부 역학코드를 하나로 통일하여 사용하되 대기와 해양의 물리부분만을 독립시킨 모형이다.

 

 

 

대기와 해양의 역학코드를 통일하고                       물리코드만 독립하여 개발하는 구성도 에서부터
비정수역학체계의 지원으로 국지적 현상                 지구규모의 현상까지 모의 가능     

 

□ MOM (GFDL Modular Ocean Model)

http://www.gfdl.noaa.gov/ocean-model 원시방정식을 처음으로 수치모형화한 것은 GFDL(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)의 Bryan(1969)과 Cox(1984) 이다. 1960년~1980년대에 걸쳐 개발된 이 모형은 1984년에 처음으로 전세계에 배포 되었다 (Cox, 1984). 이 모형에 포트란 프로그램의 모듈화를 도입하면서 모형의 이름을 MOM(Modular Ocean Model) 이라 명명하고 1991년에 첫 번째 버전을 발표하였다 (Pacanowski et al., 1991). 이후에 MOM2(Pacanowski, 1995)와 MOM3(Pacanowski and Griffies, 1999)이 계속적으로 발표되었으며, 현재 널리 사용되는 MOM4는 MOM4.0이 2003년 10월에, MOM4p1이 2009년 12월에 발표되어 세계에서 가장 많이 사용하는 전지구 대순환모형으로 자리잡고 있다.

MOM4p1의 특징들을 나열해보면 다음과 같다.

• 연직좌표계는 지오포텐셜 좌표계(geopotential coordinate) 이 외에도 수심기반 시그마 좌표계(depth based terrain following sigma coordinate)와 수압 좌표계(pressure coordinate), 수압기반 시그마 좌표계(pressure based terrain following sigma cooridnate) 등을 지원

• 명시적 자유수면 및 해저압력 계산 기법 제공

• 추적자(tracer)와 경압 유속장의 시간적분 방법으로 leap-frog 와 two-level forward step의 방법을 제공하며 후자의 방법을 추천함

• 코리올리 힘의 계산에 가장 일반적으로 사용되는 반암시적 방법 사용

• 상태방정식은 Jackett et al. (2006)의 최신 방법을 도입

• 저해상도에서 복잡한 해저지형을 좀 더 현실적으로 반영하기 위한 partial bottom step technology 방법 지원 (Pacanowski and Gnanadesikan, 1998)

• 아격자 모수화 기법으로는 다음과 같은 기법들을 제공

• Horizontal friction : Smagorinsky laplacian and biharmonic scheme (Griffies and Hallberg, 2000)과 anisotropic laplacian 기법 (Large et al., 2001 and Smith and McWilliams, 2003)

• Neutral physics and boundary regions : Ferrari et al. (2008)의 경 계지역 내에서의 nuetral physics 처리 기법 추가

• Restratification effects from submesoscale eddies : Fox-Kemper et al. (2008)의 모수화 방법 지원

• From drag : 아격자 내의 에디들로부터 유발되는 form drag의 모수화 기법 지원

• 조석 혼합 모수화 기법 제공

• 다양한 연직 혼합 모수화 기법 제공 : 상수, PP, KPP, GOTM 등

 

□ NEMO (Nucleus for European Modeling of the Ocean)

= OPA (Ocean PArallelise)

http://www.nemo-ocean.eu/

OASIS 결합자를 이용하여 다음과 같은 모형들이 결합되어 있는 모형이다.

• 해양 : NEMO-OPA

• 해빙 : NEMO-LIM

• 생태 : NEMO-TOP

• 자료동화 : NEMO-TAM

대기모형은 UKMO 모형을 비롯하여 여러 가지 모형들에 결합되어 사용되고 있다.

 

□ NLOM (Navy Layered Ocean Model)

http://www7320.nrlssc.navy.mil/global_nlom/

NRL(Naval Research Laboratory)의 LSM(Large Scale Models) 프로젝트의 일환으로 개발된 모형으로 다양한 컴퓨터에 확장성이 뛰어난 모형으로 인정되는 모형이다. 분산메모리 병렬화에서부터 다중프로세서 공유메모리 병렬화까지 지원하며 다양한 슈퍼컴퓨터에 이식되어 사용되었고 개인용 비병렬 컴퓨터에서도 사용할 수 있는 모형이다.

 

□ NCOM (NCAR CSM Ocean Model)

http://www.cesm.ucar.edu

미국 NCAR의 CESM 모형과 CCSM 모형의 전신인 CSM 결합모형에서 해양대순환모형으로 사용한 모형이다. 이 모형은 GFDL의 MOM 버전 1.1을 기반으로 개발되었으나 이 후에 CCSM과 CESM은 해양모형을 POP 모형으로 교체하여 현재는 개발이 중단되었다.

 

□ OCCAM(Ocean Circulation and Climate Advanced Modelling Project)

http://www.noc.soton.ac.uk.JRD/OCCAM/

GFDL의 초기 MOM 버전을 array processor 버전으로 개발한 MOMA 모형을 이용하여 고해상도 전지구 모형으로 개발한 모형이다. 초기에 1/4° 해상도에서부터 1/8°, 1/12° 해상도의 모형까지 개발되었다. OCCAM 모형의 특징은 극지역의 특이점을 해소하기 위해서 극을 적도쪽으로 이동한 rotated grid를 사용한다.

 

□ POP (Parallel Ocean Program)

http://climate.lanl.gov/Models/POP/

GFDL MOM의 초기버전인 Bryan, Cox, Semtner and Chervin 모형으로부터 개발된 병렬최적화된 모형으로 LANL(Los Alamos National Laboratory)에서 개발하였다. 북극의 특이점 해소를 위해서 극을 육지로 옮기는 dipolar grid와 육지에 두 개의 극을 만드는 tripolar grid를 지원한다. POP은 초기에 CM-5 컴퓨터를 이용하기 위하여 개발되었으나 현재는 MPI와 SHMEM을 사용할 수 있도록 병렬화되고 전지구 1/10°까지 고해상도 모형으로 개발되어 전지구 에디재현 모형으로 인정받고 있다. 또한, 이 모형은 POP 버전 2로 개선되어 NCAR의 CCSM과 CESM 의 해양모형으로 채택되어 사용되고 있다.

dipolar grid                                                  tripolar grid

 

□ Poseidon

http://grads.iges.org/poseidon/

IGES(Institute of Global Environment and Society)에서 개발한 Poseidon 모형은 연직방향으로 표층의 혼합층은 수심에 의해 나누고 심해는 등밀도에 의해 나누며 두 경계를 있는 완충지역은 시그마층으로 연결하는 좌표계를 사용한다. 수평 격자체계는 극의 특이점을 해소하기 위하여 직각곡선좌표계(orthogonal curvilinear coordinate)를 사용한다.

 

□ POSUM (Parallel Oregon State University Model)

http://posum.oce.orst.edu

연직방향으로 등밀도 좌표계를 사용하고 자유수면을 가지는 모형이다. 대부분의 해양순환모형은 계산의 편의를 위하여 Boussinesq 가정을 사용하는데 비하여 POSUM 모형은 이 가정을 사용하지 않는 non-Boussinesq 모형으로 해수팽창 등의 체적변화를 고려할 수 있는 모형이다.

 

□ SEA (Southamption - East Anglia parallel pcean circulation model)

= MOMA (Modular Ocean Model – Array processor version)

http://www.uea.ac.uk/menu/acad_depts/mth/ocean/SEA/

초기의 MOM 모형을 array processor 버전으로 개발한 모형으로 MOMA라고 불리며 자유수면 기법을 적용한 모형이다. 이 모형은 고해상도 전지구 모형의 개발을 목적으로 하는 영국의 Ocean Circulation and Climate Advanced Modelling (OCCAM)에 기본 모형으로 사용되었으며 첫 번째 전지구 에디 재현 모형으로 인정되고 있다. 이 후에 일반적 목적의 간단하고 병렬최적화된 모형으로 개발되어 SEA라고 불리워진다.

 

□ SEOM (Spectral Element Ocean Model)

http://marine.rutgers.edu/po/index.php?model=seom

SEOM은 정수역학과 비정수역학을 선택하여 사용할 수 있는 모형이며 수평적으로 spectral element 방법을 사용한 모형이다. 2차원 버전과 3차원 버전이 있으며, 2차원 버전은 천수방정식을 사용하여 전지구 조석모의 등에 사용되었고 3차원 버전은 개발 중에 있다.

 

 

참고문헌

 

Bryan, K., 1969: A numerical method for the study of the ciruclation of the world ocean. J. Comput. Phys., 4, 347-376.

Cox, M.D., 1984: A primitive equation three-dimensional model of the ocean. Tech. Rep. 1. GFDL Ocean Group, Princeton University.

Ferrari, R., McWilliams, J., Canuto, V., and Dobovikov, M., 2008: Parameterization of eddy fluxes near oceanic boundaries, Journal of Climate, 21, 2770-2789.

Fox-Kemper, B., Ferrari, R., and Hallberg, R. 2008: Parameterization of mixed layer eddies. I: Theroy and diagnosis, Journal of Physical Oceanography, 38, 1145-1165.

Goosse H. and T. Fichefet, 1999: Importance of ice-ocean interactions for the global ocean circulation: a model study. Geophysical Research, 104(C10), 23337-23355.

Griffies, S.M. and Hallberg, R.W., 2000: Biharmonic friction with a Smagorinsky viscosity for use in large-scale eddy-permitting ocean models, Monthly Weather Review, 128, 2935-2946.

Jackett, D.R., McDougall, T.J., Feistel, R., Wright, D.G., and Griffies, S.M., 2006: Algorithms for density, potential temperature, conservative temperature, and freezing temperature of seawater, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 23, 1709-1728.

Large, W.G., Danabasoglu, G., McWilliams, J.C., Gent, P.R., and Bryan, F.O., 2001: Equatorial circulation of a global ocean climate model with anisotropic horizontal viscosity, Journal of Physical Oceanography, 31,518-536.

Opsteegh, J.D., R.J. Haarsma, F.M. Selten and A. Kattenberg, 1998: ECBilt a dynamic alternative to mixed boundary ocean models. Tellus, 50A, 348-367.

Pacanowski, R.C. and Gnanadesikan, A., 1998: Transient response in a z-level ocean model that resolves topography with partial-cells, Monthly Weather Review, 126, 3248-3270.

Pacanowski, R.C., Dixon, K., and Rosati, A., 1991: The GFDL Modular Ocean Model User Guide, NOAA/Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, Princeton, USA, 16 pp.

Sinha, B. and Smith, R.S., 2002: Development of a fast Coupled General Circulation Model (FORTE) for climate studies, implemented using the OASIS coupler, Southampton Oceanography Centre Internal Document 81.

Smith, R.D. and McWilliams, J.C., 2003: Anisotropic horizonal viscosity for ocean models, Ocean Modelling, 5, 129-156.

Webb, D.J., 1993: An ocean model code for array processor computers, Institute of Oceanographic Sciences, Deacon Laboratory, Internal document, No. 324, 21pp.