밀도 변화를 포함하는 3차원 연직함수 전개모형

A Three-Dimensional Galerkin-FEM Model with Density Variation

본 연구에서는 시 공간적으로 변화하는 밀도구조를 고려한 3차원 연직함수 전개모형을 제안한다. 정수압을 가정하며 열보존식과 상태방정식의 도입으로 밀도변화가 고려된다 수평방향으로의 변화는 유한 차분 격자상에서 계산되며 유속 및 수온의 연직구조는 선형보간함수를 사용하여 계산된다. 구성된 행렬방정식은 유사변환 개념을 도입하여 시간적분된다. 개발된 모델의 테스트를 위해 간단한 이상해역과 황해역에서 대기와 해양간의 열교환에 따른 수온구조 변동을 실험하였다. 이류효과는 열수송방정식에서만 고려하였으며 연직 와동점성계수와 와동확산계수는 시 공간적으로 일정한 값을 사용하였다. 이상해역에서의 수치실험결과 모델영역의 수심의 차이에 따른 열저장의 차이로 인해 수온의 수평적 구배가 발생하였다. 결과적으로 전향력을 고려하지 않을 경우에는 상층에서는 수심이 증가하는 방향으로 흐름이 발생하고 하층에는 반대방향의 흐름이 유도된 반면 전향력을 고려할 경우에는 수온차에 의한 압력구배력과 전향력이 균형을 이루면서 지형류가 뚜렷하게 나타났다. 황해역에서는 복잡한 흐름이 나타났지만 전체적으로는 지형류의 특성이 우세하게 나타났다.

A three-dimensional Galerkin-FEM model which can handle the temporal and spatial variation of density is presented. The hydrostatic approximation is used and density effects are included by means of conservation equation of heat and the equation of state. The finite difference grids are used in the horizontal plane and a set of linear-shape functions is used for the vertical expansion. The similarity transform is introduced to solve resultant matrix equations. The proposed model was first applied to the density-driven circulation in an idealized basin in the presence of the heat exchange between the air and the sea. The advection terms in the momentum equation were ignored, while the convection terms were retained in the heat equation. Coefficients of the vertical eddy viscosity and diffusivity were fixed to be constant. Calculation in a non-rotating idealized basin shows that the difference in heat capacity with depth gives rise to the horizontal gradient of temperature. Consequently, there is a steady new in the upper layer in the direction of increasing depth with compensatory counter flow .in the lower layer. With Coriolis force, geostrophic flow was predominant due to the balance between the pressure gradient and the Coriolis force. As a test in region of irregular topography, the model is applied to the Yellow Sea. Although the resultant flow was very complex, the character of the flow Showed to be geostrophic on the whole.