[論文レビュー] On the significance of coherent Lagrangian eddies detected from satellite altimetry

M. J. Olascoaga, F. J. Beron‐Vera+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2017

Oceanographic and Atmospheric Processes被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、人工衛星レーダー高度計測を用いて検出されたループ・カレント・リングが、長期間にわたりラグランジュ的整合性を維持すること——つまり、その物質的境界が変形を避け、数か月にわたり水を効果的に輸送すること——を、海洋色データおよびドリフトャー観測データを用いて観測的証拠として提示する。一方、データ同化型モデルは、準微済スケールの分散統計を再現できるものの、観測された整合性を再現できない。これは、一貫したラグランジュ的渦の再現性に欠けるモデルの精度の根本的限界を示している。

ABSTRACT

Ocean flows are routinely inferred from low-resolution satellite altimetry measurements of sea surface height assuming a geostrophic balance. Recent nonlinear dynamical systems techniques have revealed that surface currents derived from altimetry can support mesoscale eddies with material boundaries that do not filament for many months, thereby representing effective transport mechanisms. However, the long-range Lagrangian coherence assessed for mesoscale eddy boundaries detected from altimetry is constrained by the impossibility of current altimeters to resolve ageostrophic submesoscale motions. These may act to prevent Lagrangian coherence from manifesting in the rigorous form described by the nonlinear dynamical systems theories. Here we use a combination of satellite ocean color and surface drifter trajectory data, rarely available simultaneously over an extended period of time, to provide observational evidence for the enduring Lagrangian coherence of a Loop Current ring detected from altimetry. We also seek indications of this behavior in the flow produced by a data-assimilative system which demonstrated ability to reproduce observed relative dispersion statistics down into the marginally submesoscale range. However, the simulated flow, total surface and subsurface or subsampled emulating altimetry, is not found to support the long-lasting Lagrangian coherence that characterizes the observed ring. This highlights the importance of the Lagrangian metrics produced by the nonlinear dynamical systems tools employed here in assessing model performance.

研究の動機と目的

• 人工衛星高度計測から検出された中規模渦（ループ・カレント・リング）のラグランジュ的整合性を、独立した観測データを用いて評価すること。
• 科的非平衡準微済スケールの運動が、非線形力学系理論が予測するように、長期間にわたる渦境界の整合性を妨げる程度を調査すること。
• データ補助型海洋モデルが、準微済スケールでの相対的分散統計を正確に再現しているにもかかわらず、観測されたラグランジュ的整合性を再現できるかを評価すること。
• 力学系理論からのラグランジュ的指標が、海洋渦の表現に欠けるモデルの欠陥を、標準的検証指標では見えない形で明らかにすることを示すこと。

提案手法

• 長期間にわたり、同時に収集された人工衛星海洋色データおよび表面ドリフトャーの軌道を用いて、ループ・カレント・リングの周囲の水塊輸送を追跡した。
• 非線形力学系の手法を用い、高度計測から得られる表面流速場から、変形に抵抗する物質的境界を特徴とする一貫したラグランジュ的渦を同定した。
• 観測されたラグランジュ的整合性と、微小済スケールの運動をわずかに解像できるデータ同化型海洋モデルがシミュレートした整合性を比較した。
• 観測に適用したのと同じ力学系フレームワークから導出されたラグランジュ的整合性指標を用いて、モデルの性能を評価した。
• 高度計測の解像度を模倣するように、モデル出力を部分的にサンプリングして、解像度そのものが観測とモデルの差異を説明できるかを検証した。
• モデル内の相対的分散統計を定量的に評価し、準微済スケールの力学を再現できることを検証したが、整合性は捉えられていない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 人工衛星高度計測から検出された中規模渦は、現実の海洋環境下で、数か月にわたってラグランジュ的整合性を示すか？
• RQ2 科的非平衡準微済スケールの運動は、観測された渦境界におけるラグランジュ的整合性の顕在化をどの程度妨げるか？
• RQ3 観測された相対的分散統計を再現できるデータ同化型海洋モデルは、一貫した渦の長期的ラグランジュ的整合性を再現できるか？
• RQ4 力学系理論から導かれるラグランジュ的指標は、標準的検証指標では見えないモデルの欠陥をどのように明らかにするか？

主な発見

• 海洋色および表面ドリフトャーの観測データにより、ループ・カレント・リングが数か月にわたり強いラグランジュ的整合性を維持しており、その物質的境界が変形を避けていることが確認された。
• データ同化型モデルは、わずかに準微済スケールの範囲まで相対的分散統計を正確に再現しており、小スケールの流れの変動を捉えていることが示された。
• 正確な分散統計を再現しているにもかかわらず、モデルは渦境界における長期間のラグランジュ的整合性を支持できず、一貫した輸送を再現する点で根本的な欠陥を示している。
• モデル出力を高度計測の解像度に合わせて部分的にサンプリングしても、観測とモデルの差異は継続するため、問題は解像度に起因するのではなく、力学的要因に起因していることが示された。
• 本研究は、ラグランジュ的整合性指標がモデル性能の評価に不可欠であることを示しており、標準的統計的検証では見えない欠陥を明らかにする。
• 結果は、標準的高さ計測に基づく科的平衡仮定が十分でない場合でも、一貫したラグランジュ的渦が海洋における効果的な輸送機構であることを強調している。