海洋模型中在线和离线粒子跟踪有哪些选择?

Question

我正在寻找一些海洋建模的粒子跟踪选项，以尝试做不同代码的比较。

Answer 1

在线和离线轨迹计算的主要区别在于在线是作为模型的一部分实现的，而轨迹是模型输出的一部分。脱机轨迹计算是一个单独的软件，以欧拉模型输出字段为输入，计算轨迹。

在线粒子跟踪的主要优点是，无论粒子或示踪剂的位移有多小，都可以在每个时间步进行评估。因此，您可以根据模型产生的结果获得真实的粒子轨迹。在线跟踪的缺点是用户需要在运行模型之前知道粒子释放的位置和时间。以下列出的模型(至少)支持在线拉格朗日轨迹计算:

• 混合坐标海洋模型(HYCOM)是一个流体静力学，混合坐标海洋环流模型，内置粒子计算;

• MIT一般环流模型(MITgcm)是一个非静压环流模式，具有许多物理参数化选项和单一的大气和海洋动力核;

• 区域海洋模拟系统(ROMS)是一个流体静力学，sigma坐标(地形跟踪)海洋模型，具有许多物理参数化选项，拥有大量用户社区。

另一方面，离线粒子跟踪只能在输出欧拉场时使用欧拉场。因此，根据输出频率的不同，计算出的轨迹会有误差。另一方面，脱机计算的主要优势是用户可以试验和摆弄部署位置、时间、覆盖区域等，因为轨迹计算通常比实际模型花费的计算工作量要少得多。这里有几个选项:

• 连接建模系统(CMS)以网格化NetCDF文件为输入，生成拉格朗日轨迹输出。可以处理来自各种荒川交错网格的场，并可产生概率轨迹，扩散率由用户指定(可选)。至少兼容HYCOM和rom输出。

• 阿丽亚娜也采取网格NetCDF文件，是兼容至少HYCOM, rom和NEMO模型。

• TRACMASS似乎与许多流通模式兼容。它还有一个Python接口．

这个答案中列出的所有模型和工具都可以在不同的开源许可下免费下载。

Answer 2

我们正处于一本关于沿海海洋数值粒子跟踪的新书的最后阶段。最初作为那本书的一部分，现在从它分离出来，我们已经开发了一个不断发展的粒子跟踪例程列表。它可以访问http://www.nefsc.noaa.gov/drifter/particles.html．

我并不想通过@IRO-bot来贬低答案。我只是想补充他的成果。

编辑和扩展可以通过电子邮件发送给James Manning @NOAA

我们提供了一个不完整的算法列表。我们将算法分为两类:1)使用可用的模型结果离线运行的代码和2)基于web的粒子跟踪，不需要用户执行任何操作(点击)。许多基于网络的例程现在正在全球多个地区共享和应用。

离线粒子跟踪包

• LTRANS:幼虫传输拉格朗日模型是一种离线粒子跟踪模型，它使用存储的3D水动力学模型预测，特别是区域海洋建模系统(ROMS)。虽然LTRANS是用来模拟幼虫的，但它也被用来模拟被动粒子和其他浮游生物。LTRANS是用Fortran 90编写的，设计用于跟踪三维粒子的轨迹，使用四阶龙格-库塔格式进行平流和随机位移，以考虑垂直湍流。联系E. North (U. Maryland)， enorth@umces.edu，http://northweb.hpl.umces.edu/LTRANS.htm
• Ariane: Ariane是一个离线计算工具(Fortran 90/95)，用于从有限差分循环模型(如OPA-NEMO, rom或symphony)的输出速度场计算3D流线。联系IFREMER的B. Blanke)， Bruno.Blanke@univ-brest.fr，http://stockage.univ-brest.fr/~grima/Ariane/
• LarvalMap:是一个基于python库的web服务，它提供了用于粒子跟踪的公共数据模型和方法。它最初是作为一个基于3D网络的幼虫鱼类和无脊椎动物运输模型开发的，连接到东北太平洋的ROMS环流场。它可以与使用网络气候和预报通用数据格式(NetCDF CF)的任何数据访问协议(DAP)可访问环流数据集一起使用。联系:DevOps@asascience.com。https://github.com/asascience-open/paegan-transport
• PartTrack: PartTracker是一种粒子跟踪研究工具，目前正在MatlabTM中开发，旨在与非结构化和结构化模型网格一起使用，之前已应用于SELFE(半隐式欧拉-拉格朗日有限元模型)的输出，用于评估废水和幼虫扩散。PartTracker应用时间自适应复合4 -5阶龙格-库塔(RK45)数值格式，以确保单个粒子路径达到所需的最低精度标准。RK45方法的应用确保了在水动力复杂领域中粒子路径精度的一致性，以及一系列用户定义的时间步骤，该方法的时间自适应方面通过允许长时间步骤减少了水动力简单流动的计算开销。奈特BR，辛格弗格尔R，福雷斯特B 2009。PartTracker â€-海洋粒子的命运分析工具。2009年澳大利亚海岸和港口会议论文集。Dawe I编著，新西兰海岸协会，惠灵顿。8页。联系Ben Knight(新西兰Carthron研究所)。
• WebDrogue: beta版Java图形用户界面，用于从模型域中用户指定的点获得漂移预测，可以安装在MS-Windows和Linux下。漂移轨迹是用潮汐、季节平均环流、风驱动环流和地面风漂移计算出来的(Hannah, et al.2004)联系:Jason Chaffey, ChaffeyJ@mar.dfo-mpo.gc.cahttp://www.bio.gc.ca/science/research-recherche/ocean/webdrogue/index-eng.php
• 双向PTM:为了确定到达一个位置的粒子的来源，粒子轨迹可以反向运行以确定可能的来源，然后向前运行以确定给定的随机性的结果的鲁棒性。例如，Isobe等人在2009年描述了这一点，并将其应用于东海。联系aisobe@sci.ehime-u.ac.jp
• ICTHYOP:用于研究物理因素(如水流、水温)和生物因素(如卵浮力、幼体生长)如何影响鱼卵和幼体的动态。它将医生和生物学家聚集在一起，围绕一个通用的工具，容易获得和用户友好。联系:info@previmer.orghttp://www.ichthyop.org
• OILTRANS:“离线粒子传输模型与最新的海上相遇模型预测相结合。石油主要的扩散、平流、扩散、蒸发、乳化和扩散过程的公式已经被编码，使模型能够准确预测表面浮油的水平运动、石油垂直夹带进入水柱和泄漏石油的质量平衡。”联系方式:alan.berry@marine.ies见Berry, A.， T. Dabrowski和K. Lyons, 2012。溢油模型OILTRANS及其在凯尔特海的应用。海洋污染公报，64页，2489-2501。这里报告了一些文档。

• 泥沙输运:海岸泥沙输运的社区模型正在开发中。这里提供了一些关于这个项目的注释，其中有一个现有模型的列表。联系csherwood@usgs.gov。

  基于web的粒子跟踪例程

• SCCOOS追踪加州蒙特雷湾的水流(http://ourocean.jpl.nasa.gov/SCB/scbmangen.jsp）
• NCSTATE:西北大西洋大型ROMS/HYCOM网格的轨迹流http://omgsrv1.meas.ncsu.edu:8080/ocean-circulation-useast2/trajectory.jsp）
• ALAVAI:海面漂移预测的可视化工具。环境建模与软件。Otero等人，2013。联系人:Pablo Otero (https://github.com/PabloOtero/Alavai）
• Connie Tool:海洋科学家和管理人员用于研究海洋空间连通性模式的â€eure online工具。它已应用于幼虫扩散和招募研究以及污染物扩散的情景和风险评估等领域。â€联系方式:connie@csiro.au (http://www.csiro.au/connie2/）