Incorporation of the new turbulence closure schemes in the Princeton Ocean Model (POM)

Abstract

One of the most challenging issues in oceanography is the simulation of the mixing processes, which are responsible for diffusion of momentum, heat, salt, sediments, etc. In the modeling of flow, the hydrodynamic model simulates the properties of the mean flow while the turbulence model, coupled to the first, is responsible for simulating the mixing processes. In this article it is used the Princeton Ocean Model (POM), which includes the well known turbulent closure model q2 − q2L of Mellor & Yamada (1982), level 2.5. To add flexibility to the modeling, the k − ε and k − ω models, which belong to the same class of models, are incorporated into the POM and two test cases, one involving the deepening of the oceanic mixed layer and the other addressing the estuarine circulation, are carried out to allow the quality assessment of the models implementation in the computer code. The tests indicated that the model implementation was adequate. Comparing with the original model available in the Princeton Ocean Model, the results showed that the model k − ε tends to overestimate the mixed layer, while the model k − ω underestimates it, within an acceptable range of tolerance. In terms of estuarine circulation, the k − ε and k − ω models showed a greater capacity of mixing at the bottom of the estuarine mixing zone and also at the surface layer.

Uma das questões mais desafiadoras em oceanografia é a simulação dos processos de mistura, responsáveis pela difusão de momentum , calor, sal, sedimentos etc. Na modelagem de escoamentos, o modelo hidrodinâmico simula as propriedades do escoamento médio, enquanto o modelo de turbulência, acoplado ao primeiro, é o responsável por simular os processos de mistura. Nesse artigo ´e utilizado o Princeton Ocean Model (POM), o qual traz acoplado o conhecido esquema de fechamento turbulento q2 −q2L de Mellor & Yamada (1982), nível 2.5. Para adicionar flexibilidade `a modelagem, os modelos k −ε e k −ω, da mesma categoria de modelos, s˜ao incorporados ao POM e dois casos-teste, um envolvendo o aprofundamento da camada de mistura oceânica e o outro a circulação estuarina, são realizados para permitir a avaliação da qualidade da implementação dos modelos no código computacional. Os testes indicaram que a implementação dos modelos foi adequada. Tendo como referência o modelo original do POM, os resultados mostraram que o modelo k − ε tende a superestimar a camada de mistura, enquanto o k − ω a subestima, numa faixa aceitável de tolerância. Em termos de circulação estuarina, os modelos k − ε e k − ω apresentaram uma maior capacidade de mistura tanto no fundo da zona de mistura estuarina como na camada superficial.