[論文レビュー] On the vertical structure of wave forcing for the ocean circulation

Anne‐Claire Bennis, Fabrice Ardhuin|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2010

Oceanographic and Atmospheric Processes被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、位相平均波動特性に基づく全運動量保存に基づく波動力が、粘性のない条件下でも勾配のある海底で、ストークス拡散の10倍に達する不一致で不自然な流れを生じることを示している。これに対して、準ユーグレーリアン平均運動量を用いることで、この不一致を回避でき、波誘発海洋循環の正確で単純な数値モデル化が可能になる。

ABSTRACT

The conservation of momentum, when averaged over the phase of surface gravity waves can take two forms, whether or not the momentum variable contains the wave pseudo-momentum. The vertical profiles of the resulting wave-induced forces are discussed, with application to realistic condition. It was already proved that forces for the total momentum that use analytical functions of the local wave properties are necessarily inconsistent, and thus inaccurate at the lowest order. The consequences of these inaccuracies are explored here. In inviscid conditions, it is shown that large spurious currents of the order of 10 times the Strokes drift are generated on a sloping bottom, however small that slope is. These spurious velocities are reduced but are still significant when a strong vertical mixing is applied. In contrast, forces for the quasi-Eulerian mean momentum do not suffer from this inconsistency, and accurate numerical models can be developed. Choosing to solve for the quasi-Eulerian mean flow is also intrinsically more simple.

研究の動機と目的

• 波誘発運動量力の海洋循環モデルにおける一貫性を調査すること。
• 全運動量に基づく波動力形式における不自然な流れの原因を特定すること。
• 海底勾配と垂直混合がこれらの不自然な流れの大きさに与える影響を評価すること。
• 準ユーグレーリアン平均運動量形式が不一致を解消する点で優れていることを実証すること。
• 波動力に基づくより正確で数値的に安定した海洋循環モデルの構築に基盤を提供すること。

提案手法

• 表面重力波の位相平均運動量保存方程式を解析的に導出すること。
• 全運動量と準ユーグレーリアン平均運動量の両形式を用いた波誘発力の比較。
• 勾配のある海底地形を持つ理想化された非粘性および粘性海洋モデルに導出された力を適用すること。
• 全運動量フレームワークにおいて、局所波動特性の解析関数を用いて波動力を計算すること。
• 得られた平均流れを評価し、不自然な速度成分を同定すること。
• 垂直混合が不自然な流れの抑制に与える影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ全運動量に基づく波動力形式は、海洋循環モデルで一貫性のない結果を生じるのか？
• RQ2 勾配のある海底で、不一致な波動力によってどの程度の大きさの不自然な流れが生じるのか？
• RQ3 垂直混合は、これらの不自然な流れの持続性にどのように影響するのか？
• RQ4 なぜ準ユーグレーリアン平均運動量形式は本質的に一貫性があり正確なのか？
• RQ5 準ユーグレーリアン平均運動量を用いた数値モデルは、全運動量アプローチで見られる不一致を回避できるのか？

主な発見

• 位相平均波動特性に基づく全運動量に基づく波動力は、非常に小さな海底勾配でも、ストークス拡散の最大10倍に達する不自然な流れを生成する。
• これらの不自然な流れは強い垂直混合下でも持続するが、大きさは小さくなる。
• 粘性のない条件下でも大きな不自然な流れが生じることから、不一致は形式自体の根本的欠陥に起因することが証明された。
• 準ユーグレーリアン平均運動量形式は、この不一致を回避でき、正確な数値モデル化を可能にする。
• 準ユーグレーリアン平均運動量に基づくモデルは、正確さに加え、実装が本質的に単純である。
• 全運動量力の不一致は、局所波動特性の解析関数の使用に起因し、これが最低次の運動量保存を破るためである。