[論文レビュー] Frequency dependence of near-surface oceanic kinetic energy from drifter observations and global high-resolution models

Brian K. Arbic, Shane Elipot+13 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2022

Oceanographic and Atmospheric Processes被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、漂流機観測と2つの高分解能グローバル海洋モデル（HYCOM および MITgcm）を用いて、低周波数、準慣性、1日周期、半日周期の周波数帯における表層海洋乱流エネルギー（KE）を比較した。モデルの性能は周波数帯ごとに異なり、HYCOM はより高頻度の気象力による影響を受けるため、準慣性 KE をよりよく再現している。一方、MITgcm は、改善された地形摩擦のパラメータ化により、半日周期 KE をよりよく再現している。両モデルとも、0 m と 15 m 深度における KE の垂直構造の代理指標を、観測結果と妥当な程度で再現している。

ABSTRACT

The geographical variability, frequency content, and vertical structure of near-surface oceanic kinetic energy (KE) are important for air-sea interaction, marine ecosystems, operational oceanography, pollutant tracking, and interpreting remotely sensed velocity measurements. Here, KE in high-resolution global simulations (HYbrid Coordinate Ocean Model; HYCOM, and Massachusetts Institute of Technology general circulation model; MITgcm), at the sea surface (0 m) and 15 m, are respectively compared with KE from undrogued and drogued surface drifters. Global maps and zonal averages are computed for low-frequency ($<$ 0.5 cpd), near-inertial, diurnal, and semi-diurnal bands. Both models exhibit low-frequency equatorial KE that is low relative to drifter values. HYCOM near-inertial KE is higher than in MITgcm, and closer to drifter values, probably due to more frequently updated atmospheric forcing. HYCOM semi-diurnal KE is lower than in MITgcm, and closer to drifter values, likely due to inclusion of a parameterized topographic internal wave drag. A concurrent tidal harmonic analysis in the diurnal band demonstrates that much of the diurnal flow is non-tidal. We compute a simple proxy of near-surface vertical structure, the ratio of 0 m KE to 0 m KE plus 15 m KE in model outputs, and undrogued KE to undrogued KE plus drogued KE in drifter observations. Over most latitudes and frequency bands, model ratios track the drifter ratios to within error bars. Values of this ratio demonstrate significant vertical structure in all frequency bands except the semidiurnal band. Latitudinal dependence in the ratio is greatest in diurnal and low-frequency bands.

研究の動機と目的

• 観測データとモデルデータを用いて、近接表層海洋乱流エネルギー（KE）の地理的分布と周波数依存性を評価すること。
• 高分解能グローバル海洋モデル（HYCOM および MITgcm）が、漂流機観測と比較して複数の周波数帯における KE をどの程度適切に再現しているかを評価すること。
• 特に準慣性帯と半日周期帯において、大気力の周波数とパラメータ化された減衰の影響がモデルの KE に与える感度を調査すること。
• 0 m と 15 m 深度における KE の比（0 m KE / (0 m KE + 15 m KE)）を用いた垂直構造の代理指標を定量的に算出し、モデルと漂流機データを比較すること。
• 今後の上層海洋動態および垂直構造表現の改善に向けた、モデルと観測の乖離を特定すること。

提案手法

• 低周波数（0.5 cpd 未満）、準慣性、1日周期、半日周期の周波数帯における KE を分離するために、漂流機の軌道（アンダローグおよびドローグ付き）に対してスペクトル解析を実施した。
• jLab の inertialextract 関数を用いたウェーブレットに基づく複素信号のデモジュレーションを適用し、準慣性速度成分を抽出した。これにより、周波数フィルタリングの精度が向上した。
• 潮汐および大気力の両方を含む高分解能出力に基づき、HYCOM および MITgcm のシミュレーションから 0 m および 15 m 深度における KE を計算した。
• 垂直構造の代理指標比（0 m における KE / (0 m における KE + 15 m における KE)）を、モデルおよび漂流機データの両方で算出した。
• 1日周期帯における潮汐調和解析を実施し、1日周期の流れにおける潮汐的寄与と非潮汐的寄与を区別した。
• グローバルマップとゾナル平均を用いて、赤道から極域までの各緯度帯および周波数帯において、モデルと漂流機の結果を比較し、誤差範囲内での一致を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HYCOM と MITgcm は、漂流機観測と比較して、近接表層乱流エネルギー（KE）の地理的分布と周波数依存性をどの程度適切に再現しているか？
• RQ2 HYCOM と MITgcm は、準慣性帯と半日周期帯における KE について、なぜ漂流機観測と異なる程度の一致を示すのか？
• RQ3 モデルで得られた垂直 KE 構造（0 m / (0 m + 15 m) KE 比）は、アンダローグおよびドローグ付き漂流機が観測した構造とどの程度一致しているか？
• RQ4 大気力の周波数とパラメータ化された地形摩擦の寄与は、準慣性帯と半日周期帯におけるモデルのバイアスにどのような役割を果たしているか？
• RQ5 観測された 1日周期 KE の何割が非潮汐的プロセスに起因しているか？ これはモデルと観測の比較にどのような影響を与えるか？

主な発見

• HYCOM は MITgcm よりも漂流機観測に近い準慣性 KE を生成しており、これはより頻繁に更新される大気力によるものと推定される。
• MITgcm は HYCOM よりも高い半日周期 KE を示すが、両モデルとも漂流機観測より精度が低い。HYCOM が漂流機に近い結果を示すのは、地形内部波摩擦のパラメータ化が組み込まれているためと推定される。
• 潮汐調和解析により、1日周期帯の KE の大部分が非潮汐的であることが判明し、非潮汐的プロセスの寄与が顕著であることが示された。
• 0 m における KE と (0 m における KE + 15 m における KE) の比という代理指標は、両モデルともほとんどの緯度帯および周波数帯で観測結果をよく再現しており、観測の誤差範囲内に収まっている。
• 垂直 KE 構造は低周波数帯および 1日周期帯で顕著であるが、半日周期帯では最小限に抑えられている。これは代理指標が示している。
• 垂直構造の代理指標における緯度依存性は、1日周期帯および低周波数帯で最も顕著であり、強化された層密度分離および混合層ダイナミクスが関係している。