[論文レビュー] Buoy measurements of strong waves in ice amplitude modulation: a signature of complex physics governing waves in ice attenuation

Jean Rabault, Trygve Halsne+26 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2024

Arctic and Antarctic ice dynamicsEarth and Planetary Sciences被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、マージナルアイスゾーン（MIZ）における海氷内を伝播する波の12時間周期の振幅変調を、現地観測によって明らかにした。この変調は、干満に起因する海氷の収束・拡散によって引き起こされる周期的変化する波減衰機構に起因している可能性がある。この変調は、開放海域の波の変動や干満だけでは説明できないため、MIZにおける動的で周期的にオン・オフする減衰メカニズムが存在することが示唆される。

ABSTRACT

The Marginal Ice Zone (MIZ) forms a critical transition region between the ocean and sea ice cover as it protects the close ice further in from the effect of the steepest and most energetic open ocean waves. As waves propagate through the MIZ, they get exponentially attenuated. Unfortunately, the associated attenuation coefficient is difficult to accurately estimate and model, and there are still large uncertainties around which attenuation mechanisms dominate depending on the conditions. This makes it challenging to predict waves in ice attenuation, as well as sea ice breakup and dynamics. Here, we report in-situ observations of strongly modulated waves-in-ice amplitude, with a modulation period of around 12 hours. We show that simple explanations, such as changes in the incoming open water waves, or the effect of tides and currents and bathymetry, cannot explain for the observed modulation. Therefore, the significant wave height modulation observed in the ice most likely comes from a modulation of the waves-in-ice attenuation coefficient. To explain this, we conjecture that one or several waves-in-ice attenuation mechanisms are periodically modulated and switched on and off in the area of interest. We gather evidence that sea ice convergence and divergence is likely the factor driving this change in the waves in ice attenuation mechanisms and attenuation coefficient, for example by modulating the intensity of floe-floe interaction mechanisms.

研究の動機と目的

• マージナルアイスゾーン（MIZ）における海氷内を伝播する波の強力な12時間周期の振幅変調の原因を調査すること。
• 観測された波の変調が、入射する開放海域の波、干満、海流、または水深の変化に起因するかどうかを特定すること。
• 特に周期的にオン・オフする可能性がある、海氷内における波減衰の物理的メカニズムを同定すること。
• 海氷の動的挙動、特に収束・拡散が波減衰係数に与える影響を評価すること。
• 今後のフィールド調査において、浮体同士の相互作用および減衰ダイナミクスを詳細に測定する基盤を提供すること。

提案手法

• スバールバン周辺のMIZで、波の高さと海氷の動きを高時間分解能で記録するための海洋学的ブイ（OMB）を設置した。
• 12時間周期の主要な周期的変調を検出するために、現地で得られた波の振幅時間系列を分析した。
• 比較的分析を通じて、干満の海流、水深、開放海域の波の変動といった外部要因を除外した。
• 衛星SARデータおよび波動モデル出力（MFWAM）を用いて、ブイ観測の妥当性を検証し、空間的波動パターンを評価した。
• 波の伝播および減衰行動を再構築するために、レイトラスリングおよびスペクトル波動解析を適用した。
• 干満の力と海氷の動きデータとの相関を用いて、海氷の動的挙動が変調メカニズムに与える影響を評価した。

Figure 1 : Overview of the buoy deployment during the modulated significant wave height event. A total of 9 buoys are clustered in the same area at the South East of Svalbard around 2021-03-01. The overview map subfigure (left) presents the sea ice concentration (SIC, data source: internal product a

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 海氷内における観測された12時間周期の波の振幅変調の原因は何か？
• RQ2 この変調は、入射する開放海域の波、干満、または水深の変化によって説明できるか？
• RQ3 MIZにおける波減衰係数は周期的に変調されていると見なせるか？ もしそうなら、その背後にある物理的プロセスは何か？
• RQ4 海氷の収束・拡散が、波減衰メカニズムにどの程度影響を与えているか？
• RQ5 今後の測定キャンペーンは、浮体同士の相互作用および波エネルギーの散逸に与える影響をどのようによりよく捉えることができるか？

主な発見

• 海氷内では12時間周期の強い振幅変調が観測され、サイクル内で最大で50％の波高の変動が認められた。
• 複数のデータソースを用いた分析により、変調は入射する開放海域の波、干満、海流、水深の変化に起因しないことが確認された。
• 観測された変調は、氷被覆領域における周期的に変化する波減衰係数によって最も説明が可能であると考えられる。
• 干満の力が海氷の収束・拡散を引き起こし、その結果として浮体同士の相互作用メカニズムが周期的にオン・オフすることで、波エネルギーの散逸が制御されている可能性がある。
• 南東スバールバン地域は、信頼性の高い氷の動的挙動と好適な設置条件があるため、将来的な長期研究に最適な場所と特定された。
• 本研究では、今後のフィールド調査において、浮体同士の衝突統計および氷浮体の応答アモプリチュード演算子を記録するための強化されたブイ計器を導入するよう要請している。

Figure 2 : 1-dimensional wave spectrum for the 3 instruments furthest in the MIZ that are equipped with wave measurement capability (referred to as the Buoys Of Interest (BOIs) with IDs 19648, 200905, 13319), obtained during the time of the modulated SWH wave event. The instrument ID 19648 is a v202