[論文レビュー] Global Energy Spectrum of the General Oceanic Circulation

Benjamin A. Storer, Michele Buzzicotti+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2022

Oceanographic and Atmospheric Processes被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、人工衛星および再解析データを用いて、10 km から 10⁴ km のスケールにわたる運動エネルギーを解像できる粗粒化手法を適用し、海洋循環の世界的な波数スペクトルを初めて提示する。10×10³ km 前後の南極海環流（ACC）が、約 10×10³ km のスケールで支配的なスペクトルピークを示し、10³ km 以上のスケールで以前に観測されていなかった k⁻¹ のべき乗則的スケーリングが明らかになった。また、中規模渦（100–500 km）はスペクトルピークが小さいにもかかわらず、解像可能な表面運動エネルギーの 50% 以上を占めている。

ABSTRACT

Since the advent of satellite altimetry, our perception of the oceanic circulation has brought into focus the pervasiveness of mesoscale eddies that have typical scales of tens to hundreds of kilometers [5], are the ocean's analogue of weather systems, and are often thought of as the peak of the ocean's kinetic energy (KE) wavenumber spectrum [7, 19, 23]. Yet, our understanding of the ocean's spatial scales has been derived mostly from Fourier analysis in small representative regions (e.g. [16, 14, 4]), typically a few hundred kilometers in size, that cannot capture the vast dynamic range at planetary scales. Here, we present the first truly global wavenumber spectrum of the oceanic circulation from satellite data and high-resolution re-analysis data, using a coarse-graining method to analyze scales much larger than what had been possible before. Spectra spanning over three orders of magnitude in length-scale reveal the Antarctic Circumpolar Current (ACC) as the spectral peak of the global extra-tropical ocean, at $\approx 10 imes 10^3~$km. We also find a previously unobserved power-law scaling over scales larger than $10^3~$km. A smaller spectral peak exists at $\approx 300~$km associated with the mesoscales, which, due to their wider spread in wavenumber space, account for more than $50\%$ of the resolved surface KE globally. Length-scales that are twice as large (up to \(10^3\)~km) exhibit a characteristic lag time of \(\approx40~\)days in their seasonal cycle, such that in both hemispheres KE at $100~$km peaks in late spring while KE at $10^3~$km peaks in late summer. The spectrum presented here affords us a new window for understanding the multiscale general oceanic circulation within Earth's climate system, including the largest planetary scales.

研究の動機と目的

• 人工衛星およびモデルデータで解像可能な全スケールにわたる海洋循環の世界的運動エネルギー（KE）スペクトルを解明すること。
• 従来の仮定とは異なり、約 100 km の中規模渦が KE スペクトルの真のピークを形成しているかどうかを特定すること。
• 10³ km 以上のスケールにおけるエネルギー分布および季節的ダイナミクスを調査し、地域的サンプリングと有限サイズのアーチファクトによる従来のスペクトル解析の限界を克服すること。
• 大スケールのスペクトル的特徴（べき乗則的スケーリングや季節サイクルの位相遅れ）を同定し、それらを物理的ダイナミクスと関連付けること。
• エネルギー保存を保ちつつ、全動的スケールをカバーするグローバルな粗粒化フレームワークを導入し、海洋エネルギー移動のマルチスケール解析を可能にすること。

提案手法

• 人工衛星レーダー海面高度計測（AVISO）および高分解能海洋再解析（NEMO）の表面流速場に粗粒化手法を適用し、長さスケールごとに運動エネルギーを分割する。
• 各スケール ℓ における粗粒化流れの運動エネルギーを計算することで、波数空間におけるグローバルかつエネルギー保存型の運動エネルギー分解が可能になる。
• スペクトル解析は、約 10 km から 10⁴ km のスケールにわたって実施され、小規模な地域的領域における従来のフーリエ解析で生じるスペクトル漏れや窓関数アーチファクトを回避する。
• 運動エネルギーの季節的サイクルは、60日間の移動平均を用いて解析され、異なるスケール間の最大値の遅れを特定する。
• べき乗則のスケーリングは、ℓ > 10³ km の範囲でスペクトルにフィットさせ、観測された傾きを準地衡モデルによる理論的予測と比較する。
• 不確実性の推定はアンサンブルサンプリングを用い、補足資料の表 E1 に報告されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 約 100 km の中規模スケール帯が、海洋運動エネルギースペクトルの真のピークを示しているのか、それとも地域的バイアスによって隠されているのか？
• RQ2 10³ km 以上のスケールにおける運動エネルギー含量は、特に gyres（回旋）および南極海環流（ACC）とどのように関係しているか？
• RQ3 大スケールで普遍的なべき乗則的スケーリングが存在するか、また、風によって駆動される準地衡モデルによる理論的予測（k⁻¹）と一致するか？
• RQ4 なぜ大スケールの運動が、小スケールの運動に対して一貫して約 40 日の遅れを示すのか？
• RQ5 中スケールと地球規模の運動との間でエネルギーがどのように移動しているか？これは逆カスケードと整合的か？

主な発見

• 世界的な非熱帯域海洋のスペクトルピークは、約 10×10³ km に位置し、これは南極海環流（ACC）に対応しており、地球規模スケールの運動エネルギーを支配している。
• 約 300 km のより小さいスペクトルピークも観測され、これは中規模渦に起因するが、波数空間での広がりが大きいことから、解像可能な表面運動エネルギーの 50% を超える寄与をしている。
• 10³ km 以上のスケールで、以前に観測されていなかった k⁻¹ のべき乗則的スケーリングが運動エネルギースペクトルに同定され、風によって駆動される準地衡モデルの理論的予測と整合的である。
• 長さスケールが2倍のものは、季節サイクルにおいて約 40 日の遅れを示し、100 km スケールの運動エネルギーは北半球・南半球の両方で春の終わりにピークに達し、10³ km スケールでは夏の終わりにピークに達する。
• 南半球では、約 10×10³ km の ACC ピークが冬に最大の風力駆動と相関しており、10³–3×10³ km の gyre スケールの運動は秋にピークに達しており、上層海洋の加熱サイクルと整合的である。
• 北半球では、大陸の境界の影響により、約 4×10³ km の gyre スケールピークが抑制されており、5×10³ km 以上のスケールの運動エネルギーはスペクトル上で意味を持たないほど低い。