[論文レビュー] Direct observational evidence of an oceanic dual kinetic energy cascade and its seasonality

Dhruv Balwada, Jin-Han Xie+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2022

Oceanographic and Atmospheric Processes被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、メキシコ湾の表面ドリフトデータを用いて、海洋における二重の運動エネルギー拡散の直接的観測的証拠を初めて提示した。運動エネルギーが二つの主要スケールで注入され、それらが上行および下行の両方の方向へ移動するが、1–10 km未満のスケールでは支配的な前向きの拡散が観測され、冬季に強いフラックスを示す季節的変動が確認された。

ABSTRACT

The Ocean's turbulent energy cycle has a paradox; large-scale eddies under the control of Earth's rotation primarily transfer kinetic energy (KE) to larger scales via an inverse cascade, while a transfer to smaller scales is needed to accomplish dissipation. It has been argued, using numerical simulations, that fronts, waves and other turbulent structures can produce a forward cascade of KE toward dissipation scales. However, this forward cascade and its coexistence with known inverse cascade were not confirmed in observations. Here we present the first evidence of a dual KE cascade in the Ocean by analyzing velocity measurements from surface drifters released in the Gulf of Mexico. Our results show that KE is injected at two dominant scales and transferred to both large and small scales, with the downscale flux dominating at scales smaller than ~1-10km. The cascade rates are modulated seasonally, with stronger KE injection and forward transfer during winter.

研究の動機と目的

• 支配的な逆拡散とは対照的に小スケールへエネルギーを移動させるメカニズムを同定することで、海洋運動エネルギーの散逸に関するパラドックスを解明すること。
• 高解像度シミュレーションからの推定にとどまっていた、準済済スケールにおける前向きの運動エネルギー拡散の観測的確認をすること。
• 海洋表面層における運動エネルギー注入および移動率の季節的変動を定量化すること。
• 構造関数を用いて、均一でない空間サンプリングを要しない、スパarsな非グリッド型ドリフトデータからスケール間エネルギーフラックスを推定するための堅牢な手法を開発・適用すること。
• モデルに基づく推論ではなく、直接測定を用いて二重拡散（同時に上行およびダウンスケールのエネルギー移動）の存在を検証すること。

提案手法

• メキシコ湾に配置された1,045台の表面ドリフトの速度測定値を用い、2次および3次速度構造関数を推定した。
• 等方的構造関数解析を適用し、3次構造関数とスペクトルフラックスとの関係を用いて、スケール間のエネルギー移動率を推定した。
• 区分的定数スペクトルフラックスモデルを用いて3次構造関数を逆算し、異なる波数におけるエネルギー注入率およびネットフラックスを推定した。
• ヘルムホルツ分解を用いて、速度場の回転成分（渦的）および発散成分（非科ルトルフ的）を分離し、それぞれを力学的状態と関連付けた。
• ノイズや逆問題のアーチファクトに対するロバストネスを確保するため、シグネチャ関数や理想化された関数形といった代替指標を用いて結果を検証した。
• 推定の信頼性を確保するため、不安定性が著しく高まる領域を避けるために、スケールを50 mから500 kmの間で制限した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 海洋における準済済スケールで、前向きの運動エネルギー拡散の直接的観測的証拠は存在するか？
• RQ2 運動エネルギーフラックスは、理論的およびシミュレーション予測に一致する二重的行動（同時に上行およびダウンスケールのエネルギー移動）を示すか？
• RQ3 運動エネルギー移動の大きさと方向は、特に表面力に伴って季節的にどのように変化するか？
• RQ4 構造関数に基づく手法は、均一でない空間サンプリングを要しないスパarsな非グリッド型ドリフトデータから、信頼性高くスケール間エネルギーフラックスを推定できるか？
• RQ5 回転成分（バランス型）と発散成分（非科ルトルフ的）のどちらが、観測されたエネルギー拡散に相対的に寄与しているか？

主な発見

• 本研究は、運動エネルギーが上行およびダウンスケールの両方へ移動する二重の運動エネルギー拡散の、初めての直接的観測的証拠を提供した。
• 1–10 km未満のスケールで支配的な前向きの拡散が観測され、これはエネルギーが散逸スケールへ向かって移動していることを示している。
• エネルギー注入は二つの主要スケールで発生し、最大の注入率は約100–300 kmのスケールで観測された。
• 前向きの拡散率は季節的に変動し、冬季にはエネルギー注入およびダウンスケール移動が強化されている。
• 速度の発散成分（非科ルトルフ的）が前向きの拡散に顕著に寄与しており、準済済スケール不安定性がダウンスケールエネルギー移動を駆動する役割を果たしていることを裏付けている。
• 構造関数に基づく手法は物理的に意味のあるフラックスを的確に回復できており、代替指標および検証手順に対しても結果がロバストであることが確認された。