نموذج الدوران العام للمحيطات

نماذج الدوران العام للمحيطات (OGCMs) هي نوع خاص من نماذج الدوران العام لوصف العمليات الفيزيائية والديناميكية الحرارية في المحيطات. يُعرَّف الدوران العام للمحيطات بأنه نطاق مكاني وزمني أفقي أكبر من النطاق المتوسط ​​(حوالي 100  كيلومتر و6 أشهر). تُصوِّر هذه النماذج المحيطات باستخدام شبكة ثلاثية الأبعاد تتضمن الديناميكا الحرارية النشطة ، ولذا فهي الأكثر قابلية للتطبيق المباشر على دراسات المناخ. تُعد هذه النماذج من أحدث الأدوات المتاحة حاليًا لمحاكاة استجابة نظام المحيط العالمي لزيادة تركيزات غازات الاحتباس الحراري . ^{[ 1 ]} وقد طُوِّرت مجموعة من نماذج الدوران العام للمحيطات (OGCMs) تتضمن درجات متفاوتة من التغطية المكانية، والدقة، والواقعية الجغرافية، وتفاصيل العمليات، وغيرها.

افترض الجيل الأول من نماذج دوران المحيطات العالمية (OGCMs) وجود "غطاء صلب" للتخلص من موجات الجاذبية الخارجية عالية السرعة . وفقًا لمعايير CFL، وبدون هذه الموجات السريعة، يمكننا استخدام خطوة زمنية أكبر، وهو أمر أقل تكلفة حسابية. لكن هذا النموذج قام أيضًا بتصفية مد وجزر المحيطات وغيرها من الموجات التي تصل سرعتها إلى سرعة التسونامي . في ظل هذا الافتراض، طور كيرك برايان وزميله مايكل كوكس نموذجًا ثنائي الأبعاد، ونموذجًا ثلاثي الأبعاد على شكل صندوق، ثم نموذجًا للدوران الكامل في مختبر ديناميكيات الموائع الجيوفيزيائية (GFDL) ، مع كثافة متغيرة أيضًا، للمحيط العالمي بسواحله المعقدة وتضاريس قاعه. ^{[ 2 ]} تم تنفيذ أول تطبيق بهندسة عالمية محددة في أوائل سبعينيات القرن العشرين. ^{[ 3 ]} صمم كوكس شبكة خطوط طول وعرض تبلغ درجتين، مع ما يصل إلى 12 مستوى رأسيًا عند كل نقطة.

مع تزايد الأبحاث حول نماذج المحيطات، بدأت ظواهر النطاق المتوسط، مثل امتلاك معظم تيارات المحيط أبعادًا عرضية تساوي نصف قطر روسبي للتشوه ، تحظى باهتمام متزايد. ومع ذلك، يتطلب تحليل هذه الدوامات والتيارات في النماذج العددية تباعدًا شبكيًا يبلغ حوالي 20  كيلومترًا في خطوط العرض المتوسطة. وبفضل الحواسيب فائقة السرعة، وإجراء عمليات ترشيح مسبقة للمعادلات لإزالة موجات الجاذبية الداخلية، أصبح بالإمكان تحليل هذه التيارات الرئيسية والدوامات منخفضة التردد، ومن الأمثلة على ذلك نماذج شبه الجيوستروفية ثلاثية الطبقات التي صممها هولاند. ^{[ 4 ]} في الوقت نفسه، توجد بعض النماذج التي تحتفظ بموجات الجاذبية الداخلية، مثل نموذج الطبقات الأديباتية الذي وضعه أوبراين وطلابه، والذي احتفظ بموجات الجاذبية الداخلية، مما مكّن من معالجة المشكلات الاستوائية والساحلية التي تتضمن هذه الموجات، وأدى إلى فهم أولي لظاهرة النينيو من منظور هذه الموجات. ^{[ 5 ]}

في أواخر ثمانينيات القرن الماضي، أصبح بالإمكان إجراء عمليات محاكاة باستخدام صيغة GFDL مع حلٍّ هامشي للدوامات على نطاقات واسعة، ومع مراعاة الرياح المرصودة وبعض التأثيرات الجوية على الكثافة. ^{[ 6 ]} علاوة على ذلك، وفرت هذه المحاكاة، ذات الدقة العالية الكافية، مثل محاكاة المحيط الجنوبي جنوب خط عرض 25 درجة، ^{[ 7 ]} ومحاكاة شمال المحيط الأطلسي، ^{[ 8 ]} ومحاكاة المحيط العالمي باستثناء القطب الشمالي، ^{[ 9 ]} أول مقارنة مباشرة مع البيانات. في أوائل تسعينيات القرن الماضي، بالنسبة لتلك النماذج واسعة النطاق والقابلة لحل الدوامات، أصبح الطلب الحاسوبي على المسألة المساعدة ثنائية الأبعاد المرتبطة بتقريب الغطاء الصلب مفرطًا. إضافة إلى ذلك، وللتنبؤ بتأثيرات المد والجزر أو مقارنة بيانات الارتفاع من الأقمار الصناعية، طُوِّرت طرق للتنبؤ بارتفاع وضغط سطح المحيط مباشرةً. على سبيل المثال، تتمثل إحدى هذه الطرق في معالجة السطح الحر والسرعة المتوسطة رأسيًا باستخدام خطوات زمنية صغيرة متعددة لكل خطوة من خطوات النموذج ثلاثي الأبعاد الكامل. ^{[ 10 ]} هناك طريقة أخرى طُوِّرت في مختبر لوس ألاموس الوطني، وهي تحل نفس المعادلات ثنائية الأبعاد باستخدام طريقة ضمنية للسطح الحر. ^{[ 11 ]} كلا الطريقتين فعالتان للغاية.

تتمتع نماذج الدوران المحيطي للغلاف الجوي (OGCMs) بالعديد من التطبيقات الهامة، منها: الربط الديناميكي مع الغلاف الجوي والجليد البحري وجريان المياه السطحية، والتي تحدد مجتمعةً تدفقات الحدود المحيطية؛ وانتقال المواد البيوجيوكيميائية؛ وتفسير سجل المناخ القديم؛ والتنبؤ بالمناخ في ظل التقلبات الطبيعية والتأثيرات البشرية؛ واستيعاب البيانات وإدارة مصايد الأسماك وغيرها من جوانب الغلاف الحيوي. ^{[ 12 ]} تلعب نماذج الدوران المحيطي للغلاف الجوي دورًا حاسمًا في نموذج نظام الأرض ، إذ تحافظ على التوازن الحراري من خلال نقل الطاقة من المناطق الاستوائية إلى المناطق القطبية. ولتحليل التفاعل بين المحيط والغلاف الجوي، نحتاج إلى نموذج محيطي قادر على بدء وتضخيم تغير المناخ على نطاقات زمنية مختلفة، مثل التباين السنوي لظاهرة النينيو ^{[ 13 ]} والتعديل المحتمل للأنماط الرئيسية لنقل الحرارة في المحيطات نتيجةً لزيادة غازات الاحتباس الحراري. ^{[ 14 ]} تُعدّ المحيطات نظامًا طبيعيًا سائلًا غير مكتمل البيانات، لذا يُمكننا، باستخدام نماذج الدوران العام للمحيطات (OGCMs)، سدّ هذه الثغرات في البيانات وتحسين فهم العمليات الأساسية وترابطها، فضلًا عن المساعدة في تفسير الملاحظات المتباعدة. مع أنّه يُمكن استخدام نماذج أبسط لتقدير استجابة المناخ، إلا أنّه لا يُمكن استخدام نماذج الدوران العام للمحيطات (OGCMs) بالتزامن مع نماذج الدوران العام للغلاف الجوي لتقدير تغير المناخ العالمي. ^{[ 15 ]}

توجد أنواع مختلفة من الشبكات التي يمكن استخدامها في نماذج المحيطات والغلاف الجوي. وغالبًا ما يكون هناك فصل بين الشبكات الرأسية والأفقية. ^{[ 16 ]}

أنواع الشبكة الأفقية

تستخدم معظم النماذج أحد أنواع الشبكات الأفقية التالية.

• الفروق المحدودة
• العناصر المحدودة
• الشبكة الطيفية

شبكة الفروق المحدودة

تُعدّ شبكات الفروق المحدودة أكثر أنواع الشبكات شيوعًا في نماذج الدوران العام للغلاف الجوي (OGCMs). ^{[ 17 ] [ 18 ]} وتُستخدم شبكات أراكاوا غالبًا في هذه الشبكات . في الشبكة A، تُحسب جميع الكميات عند نقطة واحدة. وقد استُخدمت هذه الطريقة في بعض النماذج الأولى فقط. إلا أنه سرعان ما تبيّن أن الحلول كانت رديئة للغاية. ^{[ 16 ]} أما الشبكة B، فتُظهر مركبات السرعة على حواف مربعات شبكة درجة الحرارة. بينما تفصل الشبكة C هذه المركبات إلى مركبتين: u و v. ولا تزال كلتاهما تُستخدمان حاليًا في نماذج مختلفة.

من الممكن أيضاً استخدام ما يُسمى بنموذج الشبكة المتداخلة. نموذج الشبكة المتداخلة هو تعديل لشبكة الفروق المحدودة، حيث تحتوي بعض أجزائه على كثافة أعلى من نقاط الشبكة.

شبكة العناصر المحدودة

تستخدم النماذج أحيانًا شبكة العناصر المحدودة . في هذه الحالة، تُحل المتغيرات على شبكة مثلثية. وتتمثل الميزة الرئيسية لشبكات العناصر المحدودة في أنها تتيح دقة مرنة في جميع أنحاء نطاق النموذج. وهذا مفيد بشكل خاص عند دراسة التدفق في بيئة قريبة من الساحل، حيث يسهل رسم خريطة الساحل.

الشبكة الطيفية

تُعدّ الشبكات الطيفية الأقل استخدامًا في نماذج الدوران العام للغلاف الجوي، على الرغم من استخدامها الواسع في نماذج الدوران العام للغلاف الجوي. ^{[ 19 ]} ويصعب استخدامها في نمذجة المحيطات نظرًا لتعقيد شروطها الحدية مقارنةً بنماذج الغلاف الجوي حيث تُستخدم على نطاق واسع.

أنواع الشبكة العمودية

تختلف الشبكات الرأسية المستخدمة في نماذج الدوران العام للمحيطات غالبًا عن نظيراتها في نماذج الغلاف الجوي. وتستخدم نماذج الغلاف الجوي الضغط عادةً كإحداثية رأسية نظرًا لطبيعته المتساوية الإنتروبيا .

• إحداثيات z
• إحداثيات سيجما
• إحداثيات متساوية الكثافة

أنظمة الإحداثيات Z

يُعد نظام الإحداثيات z، الذي يُعتبر فيه الارتفاع أحد الإحداثيات، أبسط أنواع الأنظمة تطبيقًا. غالبًا ما تتفاوت طبقات المحيط في العمق، حيث تكون الطبقات القريبة من سطح المحيط أرق من الطبقات الأعمق. ويعود ذلك إلى أن الظواهر القريبة من السطح تحدث على نطاقات أصغر. تواجه أنظمة الإحداثيات z صعوبة في تمثيل طبقة الحدود القاعية وتدفق المياه المنحدرة بسبب الخلط غير المتجانس. ^{[ 20 ]}

إحداثيات سيجما

في نظام إحداثيات سيجما، تحدد تضاريس القاع سُمك الطبقة الرأسية عند كل نقطة شبكية أفقية. وكما هو الحال في نظام إحداثيات Z، غالبًا ما تكون الطبقات متقاربة أكثر قرب السطح و/أو القاع مقارنةً بالداخل. تسمح إحداثيات سيجما بتمثيل الطبقة الحدية بشكل أفضل، ولكنها تواجه صعوبات في حساب أخطاء تدرج الضغط عندما لا يتم تنعيم معالم تضاريس القاع الحادة. ^{[ 16 ]}

نماذج متساوية الكثافة

تُحاكي النماذج متساوية الكثافة الكثافة الكامنة عند مستوى ضغط معين كإحداثي رأسي. وبالتالي، تختلف سماكة الطبقات في جميع أنحاء المجال. يُعد هذا النوع من النماذج مفيدًا بشكل خاص عند دراسة انتقال المواد المتتبعة، لأن هذه المواد غالبًا ما تتحرك على طول خطوط ذات كثافة ثابتة. تختلف النماذج متساوية الكثافة اختلافًا طفيفًا عن النماذج الطبقية، ويكمن الاختلاف الرئيسي في ما إذا كان النموذج يسمح بتلاشي خطوط تساوي الكثافة. ففي النماذج الطبقية، لا يُسمح بتلاشي هذه الخطوط، مما يُحسّن سرعة الحساب. ^{[ 16 ] [ 21 ]}

نادرًا ما يُخلّ الاحتكاك الجزيئي بالتوازنات السائدة (الجيوستروفية والهيدروستاتيكية) في المحيط. مع لزوجة حركية v = 10⁻⁶ ^م² ث⁻¹ ^، يكون عدد إيكمان أصغر بكثير من الواحد؛ لذا، ^فإن قوى الاحتكاك الجزيئي ضئيلة للغاية بالنسبة للحركات المحيطية واسعة النطاق. وينطبق الأمر نفسه على معادلات التتبع، حيث يؤدي الانتشار الحراري الجزيئي وانتشار الملح إلى عدد رينولدز ضئيل، مما يعني أن النطاقات الزمنية للانتشار الجزيئي أطول بكثير من النطاق الزمني للحمل. لذلك، يمكننا أن نستنتج بثقة أن التأثيرات المباشرة للعمليات الجزيئية غير مهمة على نطاق واسع. ومع ذلك، يظل الاحتكاك الجزيئي أساسيًا في بعض الحالات. تكمن الفكرة في أن الحركات واسعة النطاق في المحيط تتفاعل مع نطاقات أخرى من خلال اللاخطية في المعادلة الأساسية. يمكننا إثبات ذلك باستخدام منهج رينولدز، مما سيؤدي إلى مشكلة الإغلاق. هذا يعني ظهور متغيرات جديدة في كل مستوى من مستويات عملية حساب متوسط ​​رينولدز. ويؤدي هذا إلى الحاجة إلى مخطط معلمات لمراعاة تأثيرات النطاق الفرعي للشبكة.

فيما يلي مخططٌ لشجرة عائلة مخططات الخلط دون الشبكية (SGS). على الرغم من وجود تداخل وترابط كبيرين بين المخططات المتنوعة المستخدمة اليوم، إلا أنه يمكن تحديد عدة نقاط تفرع. والأهم من ذلك، أن أساليب إغلاق النطاق الفرعي دون الشبكي الأفقي والرأسي تختلف اختلافًا كبيرًا. تُستخدم المرشحات والمؤثرات ذات الرتبة الأعلى لإزالة الضوضاء صغيرة النطاق الضرورية حسابيًا. أصبحت هذه المعلمات الديناميكية الخاصة (الإجهاد الطبوغرافي، وانتشار سُمك الدوامة، والحمل الحراري) متاحةً لبعض العمليات. في الاتجاه الرأسي، حظيت طبقة الخلط السطحية (sml) تاريخيًا باهتمام خاص نظرًا لدورها المهم في التبادل بين الهواء والبحر. والآن، تتوفر العديد من المخططات للاختيار من بينها: مخططات برايس-ويلر-بينكل، وباكانوفسكي وفيلاندر، والمخططات الكلية، ومخططات ميلور-يامادا، ومخططات معلمات ملف تعريف k (KPP). ^{[ 22 ]}

تُستخدم مخططات طول الخلط التكيفية (غير الثابتة) على نطاق واسع لنمذجة الخلط الأفقي والرأسي. في الخلط الأفقي، يُنصح باستخدام نماذج تعتمد على معدلات الإجهاد والانفعال (سماغروينسكي)، وتباعد الشبكة، ورقم رينولدز (Re). أما في الخلط الرأسي، فقد ساد تاريخيًا الخلط الرأسي كدالة لتردد الاستقرار (N²) و/أو رقم ريتشاردسون. يُعد مخطط موترات الخلط المُدوَّر هو المخطط الذي يأخذ في الاعتبار زاوية الاتجاه الرئيسي للخلط، حيث يهيمن الخلط على طول خطوط تساوي الكثافة في الطبقة الحرارية الرئيسية على الخلط على طول خطوط تساوي الكثافة. لذلك، فإن الاتجاه الرئيسي للخلط ليس رأسيًا تمامًا ولا أفقيًا تمامًا، بل هو مزيج متغير مكانيًا من الاثنين.

تتطلب نماذج الدوران العام للمحيطات والغلاف الجوي (OGCMs) فترة استقرار طويلة لتمثيل الأحواض المدروسة تمثيلاً واقعياً. فترة الاستقرار هي الوقت الذي يحتاجه النموذج للوصول إلى حالة توازن معينة . يُعرَّف هذا التوازن عادةً بأنه مُعامل إحصائي يصبح عنده التغير الزمني لمجموعة من المتغيرات أقل من عتبة محددة لعدد معين من خطوات المحاكاة. بالنسبة لنماذج الدوران العام للمحيطات والغلاف الجوي ذات النطاق العالمي، غالباً ما يُمثل الوصول إلى هذه الحالة تحدياً. قد يستغرق الأمر آلاف السنين من عمر النموذج للوصول إلى حالة التوازن. وتتحدد سرعة الوصول إلى هذا التوازن بالعمليات البطيئة أسفل طبقة التغير الحراري .

تتشابه نماذج الدوران العام للغلاف الجوي (OGCMs) ونماذج الدوران العام للغلاف الجوي (AGCMs) في العديد من الجوانب، مثل معادلات الحركة والتقنيات العددية. مع ذلك، تتميز نماذج الدوران العام للغلاف الجوي ببعض الخصائص الفريدة. فعلى سبيل المثال، يتعرض الغلاف الجوي لقوى حرارية في جميع أنحاء حجمه، بينما يتعرض المحيط لقوى حرارية وميكانيكية بشكل أساسي على سطحه، بالإضافة إلى أن هندسة أحواض المحيطات معقدة للغاية. وتختلف الشروط الحدية اختلافًا جذريًا. ففي نماذج المحيطات، نحتاج إلى مراعاة تلك الطبقات الحدية الضيقة ولكنها بالغة الأهمية على جميع الأسطح المحيطة تقريبًا، وكذلك داخل المحيط. ويصعب تحديد هذه الشروط الحدية لتدفقات المحيطات وتعيين معاييرها، مما ينتج عنه متطلبات حسابية عالية.

يُقيّد نمذجة المحيطات بشدة وجود دوامات متوسطة الحجم في معظم محيطات العالم، حيث تتراوح أطوالها الزمنية والمكانية بين أسابيع وأشهر، وعشرات ومئات الكيلومترات على التوالي. ديناميكيًا، تُعدّ هذه الدوامات المضطربة شبه الجيوستروفية نظيرًا محيطيًا للنطاق الجوي الواسع. ومع ذلك، توجد اختلافات جوهرية. أولًا، لا تُمثّل دوامات المحيط اضطرابات في تدفق متوسط ​​نشط، بل قد تلعب دورًا هامًا في نقل الحرارة باتجاه القطبين. ثانيًا، هي صغيرة نسبيًا في امتدادها الأفقي، لذا قد تتطلب نماذج مناخ المحيطات، التي يجب أن تتطابق أبعادها الخارجية الإجمالية مع نماذج الدوران العام للغلاف الجوي (AGCMs)، دقة تصل إلى 20 ضعف دقة نماذج الدوران العام للغلاف الجوي (AGCMs) إذا ما أُريدَ تحليل هذه الدوامات بدقة.

تُفرض قيود إضافية على نماذج الدوران العام للمحيطات (OGCM) بسبب نقص البيانات المتعلقة بالمحيط، وخاصةً تضاريس قاعه. فمساحات شاسعة من المحيط غير مُغطاة بخرائط تفصيلية، وهو ما يتناقض تمامًا مع تضاريس اليابسة التي يمكن رسم خرائطها بدقة عالية باستخدام مقاييس الارتفاع بالأقمار الصناعية. وهذا يُفاقم عدم اليقين في الشروط الحدية. ثانيًا، لا يتغير شكل الغلاف الجوي إلا في طبقاته السفلى على امتداد معظمه، بينما يتميز المحيط بحدود واضحة، مع وجود مساحات شاسعة من اليابسة تُشكل شروطًا حدية معقدة.

لقد دُرست العلاقة بين المناخ القديم وتأثيره على دوران المحيطات على نطاق واسع. وغالباً ما استخدمت المحاولات الأولى في هذا الصدد قوى المناخ الحالية المُستنبطة من بيانات غير مباشرة لتفسير المناخ الماضي . ويمكن محاكاة إغلاق الممرات المختلفة في المحيط ببساطة عن طريق حجبها بخط رفيع في تضاريس قاع البحر ، كما في حالة إغلاق ممر دريك الحالي . ^{[ 28 ]}

في هذه الأيام، تُستخدم خرائط الأعماق القديمة الأكثر تعقيدًا إلى جانب مؤشرات أفضل. ولاختبار جودة النماذج، تم إنشاء مشروع مقارنة نماذج المناخ القديم .

يمكننا تصنيف نماذج المحيطات وفقًا لمعايير مختلفة. على سبيل المثال، وفقًا للإحداثيات الرأسية، لدينا نماذج الجهد الجيوديسي، ونماذج الكثافة المتساوية، ونماذج تتبع التضاريس. وفقًا للتقسيمات الأفقية، لدينا شبكات غير متداخلة أو متداخلة. وفقًا لطرق التقريب، لدينا نماذج الفروق المحدودة ونماذج العناصر المحدودة. هناك ثلاثة أنواع أساسية من نماذج دوران المحيطات العامة (OGCMs):

1. نماذج الهندسة المثالية: استُخدمت النماذج ذات هندسة الأحواض المثالية على نطاق واسع في نمذجة المحيطات، ولعبت دورًا رئيسيًا في تطوير منهجيات نمذجة جديدة. تعتمد هذه النماذج على هندسة مبسطة، حيث تُقدم حوضًا بحد ذاته، بينما يُختار توزيع الرياح وقوة الطفو عادةً كدوال بسيطة لخط العرض.
2. نماذج على مستوى الأحواض: لمقارنة نتائج نماذج الدوران العام للمحيطات والغلاف الجوي (OGCM) مع البيانات المرصودة، نحتاج إلى معلومات واقعية عن الأحواض بدلاً من البيانات المثالية. مع ذلك، إذا اقتصرنا على بيانات الرصد المحلية، فلن نحتاج إلى تشغيل محاكاة عالمية كاملة، مما يوفر لنا الكثير من موارد الحوسبة.
3. النماذج العالمية: يُعد هذا النوع من النماذج الأكثر تكلفةً من الناحية الحسابية. هناك حاجة إلى مزيد من التجارب كخطوة تمهيدية في بناء نماذج نظام الأرض المترابطة.

• قائمة نماذج دوران المحيطات
• نموذج الدوران العام (GCM)
• نموذج مناخي