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A Kinematic Kinetic Energy Backscatter Parametrization: From Implementation to Global Ocean Simulations
Journal of Advances in Modeling Earth Systems ( IF 6.8 ) Pub Date : 2020-11-23 , DOI: 10.1029/2020ms002175 S. Juricke 1, 2 , S. Danilov 1, 2 , N. Koldunov 2, 3 , M. Oliver 1 , D. V. Sein 2, 4 , D. Sidorenko 2 , Q. Wang 2
Journal of Advances in Modeling Earth Systems ( IF 6.8 ) Pub Date : 2020-11-23 , DOI: 10.1029/2020ms002175 S. Juricke 1, 2 , S. Danilov 1, 2 , N. Koldunov 2, 3 , M. Oliver 1 , D. V. Sein 2, 4 , D. Sidorenko 2 , Q. Wang 2
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Ocean models at eddy‐permitting resolution are generally overdissipative, damping the intensity of the mesoscale eddy field. To reduce overdissipation, we propose a simplified, kinematic energy backscatter parametrization built into the viscosity operator in conjunction with a new flow‐dependent coefficient of viscosity based on nearest neighbor velocity differences. The new scheme mitigates excessive dissipation of energy and improves global ocean simulations at eddy‐permitting resolution. We find that kinematic backscatter substantially raises simulated eddy kinetic energy, similar to an alternative, previously proposed dynamic backscatter parametrization. While dynamic backscatter is scale aware and energetically more consistent, its implementation is more complex. Furthermore, it turns out to be computationally more expensive, as it applies, among other things, an additional prognostic subgrid energy equation. The kinematic backscatter proposed here, by contrast, comes at no additional computational cost, following the principle of simplicity. Our primary focus is the discretization on triangular unstructured meshes with cell placement of velocities (an analog of B‐grids), as employed by the Finite‐volumE Sea ice‐Ocean Model (FESOM2). The kinematic backscatter scheme with the new viscosity coefficient is implemented in FESOM2 and tested in the simplified geometry of a zonally reentrant channel as well as in a global ocean simulation on a 1/4° mesh. This first version of the new kinematic backscatter needs to be tuned to the specific resolution regime of the simulation. However, the tuning relies on a single parameter, emphasizing the overall practicality of the approach.
中文翻译:
运动学的动能反向散射参数化:从实现到全球海洋模拟
允许涡旋分辨率的海洋模型通常过于耗散,从而削弱了中尺度涡旋场的强度。为了减少过度耗散,我们提出了一种简化的运动学能量背向散射参数化方法,该参数化方法是在粘度算子中内置的,并结合了基于最近邻速度差的新的流量相关粘度系数。新方案减轻了能量的过度消耗,并以涡流分辨率提高了全球海洋模拟。我们发现,运动学反向散射大大提高了模拟涡动能,类似于先前提出的动态反向散射参数化方法。虽然动态反向散射可以感知规模并且在能量上更加一致,但其实现却更加复杂。此外,事实证明,适用时在计算上更昂贵,除其他事项外,还有一个额外的预测亚电网能量方程。相比之下,遵循简单性原理,此处提出的运动反向散射不增加计算成本。我们的主要重点是离散化的三角形非结构网格,其网格具有有限的速度单元格(B网格的类似物),这是有限体积海冰-海洋模型(FESOM2)所采用的。具有新粘度系数的运动学反向散射方案在FESOM2中实施,并在纬向折返通道的简化几何形状以及全球海洋模拟中进行了测试。我们的主要重点是离散化的三角形非结构网格,其网格具有有限的速度单元格(B网格的类似物),这是有限体积海冰-海洋模型(FESOM2)所采用的。具有新粘度系数的运动学反向散射方案在FESOM2中实施,并在纬向折返通道的简化几何形状以及全球海洋模拟中进行了测试。我们的主要重点是离散化的三角形非结构网格,其网格具有有限的速度单元格(B网格的类似物),这是有限体积海冰-海洋模型(FESOM2)所采用的。具有新粘度系数的运动学反向散射方案在FESOM2中实施,并在纬向折返通道的简化几何形状以及全球海洋模拟中进行了测试。1/4°网格。新的运动学反向散射的第一个版本需要调整为模拟的特定分辨率范围。但是,调整仅依靠一个参数,从而强调了该方法的整体实用性。
更新日期:2020-11-27
中文翻译:
运动学的动能反向散射参数化:从实现到全球海洋模拟
允许涡旋分辨率的海洋模型通常过于耗散,从而削弱了中尺度涡旋场的强度。为了减少过度耗散,我们提出了一种简化的运动学能量背向散射参数化方法,该参数化方法是在粘度算子中内置的,并结合了基于最近邻速度差的新的流量相关粘度系数。新方案减轻了能量的过度消耗,并以涡流分辨率提高了全球海洋模拟。我们发现,运动学反向散射大大提高了模拟涡动能,类似于先前提出的动态反向散射参数化方法。虽然动态反向散射可以感知规模并且在能量上更加一致,但其实现却更加复杂。此外,事实证明,适用时在计算上更昂贵,除其他事项外,还有一个额外的预测亚电网能量方程。相比之下,遵循简单性原理,此处提出的运动反向散射不增加计算成本。我们的主要重点是离散化的三角形非结构网格,其网格具有有限的速度单元格(B网格的类似物),这是有限体积海冰-海洋模型(FESOM2)所采用的。具有新粘度系数的运动学反向散射方案在FESOM2中实施,并在纬向折返通道的简化几何形状以及全球海洋模拟中进行了测试。我们的主要重点是离散化的三角形非结构网格,其网格具有有限的速度单元格(B网格的类似物),这是有限体积海冰-海洋模型(FESOM2)所采用的。具有新粘度系数的运动学反向散射方案在FESOM2中实施,并在纬向折返通道的简化几何形状以及全球海洋模拟中进行了测试。我们的主要重点是离散化的三角形非结构网格,其网格具有有限的速度单元格(B网格的类似物),这是有限体积海冰-海洋模型(FESOM2)所采用的。具有新粘度系数的运动学反向散射方案在FESOM2中实施,并在纬向折返通道的简化几何形状以及全球海洋模拟中进行了测试。1/4°网格。新的运动学反向散射的第一个版本需要调整为模拟的特定分辨率范围。但是,调整仅依靠一个参数,从而强调了该方法的整体实用性。