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の海洋モデルであり、科学界でさまざまな用途に広く使用されています。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の研究者、および世界中の貢献者によって開発および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、栄養素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 4D モデリングシステムです。これは、指定された時間にわたって実行できる 3 次元モデル (2D 水平グリッドと垂直グリッド) であり、時間は 4 番目の次元です。水柱を構成する垂直レベルと、モデル領域の 2D 直交平面の座標を構成する水平セルにグリッド化されます。

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。

非線形モデルカーネル（NLM）：NLROMS ^[1]^[2]
摂動接線線形モデルカーネル (TLM): TLROMS
有限振幅接線線形表現モデルカーネル (RPM): RPROMS
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均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 つの極端な例の間のどこかにあるからです。垂直グリッドを圧縮または伸張することで、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張は海底地形に沿い、海山などの地形上の理想的な水の流れを可能にします。^[4]垂直グリッドの番号は、底部水から上に向かって空気と水の境界まで付けられます。底部水位はレベル 1 で、最上部の表面水位は最高番号 (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、堆積物と水の境界から下に向かって付けられます。最上部の海底レベルはレベル 1 で、最も深い海底レベルは最高番号です。

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 辺のグリッドセル構造を持ちます。水平グリッドは直交曲線グリッドでもあり、対象とな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 (「ローポイント」と呼ばれる) 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された2次有限差分スキームを使用します。必要に応じて、たとえば放物線スプライン再構成を使用するなど、より高次のスキームも利用できます。^[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。

連続
運動量保存則（ナビエ・ストークス）
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るオープンアクセスソースコードを使用します。これは C 処理で実行され、共有コンピューティング用に開発されました。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 Web 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、陸地と海のマスキングを使用して特定の領域に指定できます。上部の垂直境界である大気と海の境界には、Fairall ら (1996) によって開発された相互作用スキームが使用されます。^[5]下部の垂直境界である堆積物と水の境界には、Styles と 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使用されます。^[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、および終了の 3 つの部分に分かれています。「実行」は、この 3 つの部分の中で最も大きく、ユーザーは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を使用して、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こともできます。

ユーザーオプション

ROMS の一般的なアプローチでは、モデル実装者に高いレベルの自由と責任が与えられます。1 つのアプローチでは、モデルが現在使用されているさまざま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) が決定します。オプションには、次のような選択肢があります。

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 フォーラムに報告できます。

アプリケーション

ROMSの汎用性は、さまざまなシステムや地域への多様な応用で実証されています。ROMSは、メソスケールシステム^[9]、または1kmから100kmのグリッド間隔などの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、生物光学、海氷、堆積物などのモデルを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、他の地域にも適用できます。たとえば、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連携され、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

ROMS を世界の海洋の特定の地域に適用するケースが増え続けています。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ます。次に例をいくつか示します。

海洋大気波浪堆積物輸送結合モデル（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域炭素・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

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外部リンク

ROMSウェブサイト
ROMS ドキュメントポータル

[1] Shchepetkin, Alexander F. (2003). 「非整列垂直座標による海洋モデルにおける水平圧力勾配力の計算方法」Journal of Geophysical Research . 108 (C3): 3090. Bibcode :2003JGRC..108.3090S. doi : 10.1029/2001jc001047 . ISSN 0148-0227.

[:0-2] 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年。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：地球物理学および惑星物理学研究所。

[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に基づく包括的な海洋予測および分析システム」.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.

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[7] 「ROMS > start」. www.myroms.org . 2019年2月8日閲覧。

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[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。

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[14] 「SOCIB システムの説明」www.socib.es . 2022 年 8 月 14 日閲覧。