[論文レビュー] Spatio-temporal coarse-graining decomposition of the global ocean geostrophic kinetic energy

Michele Buzzicotti, Benjamin A. Storer+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Methane Hydrates and Related Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、従来のフーリエ解析の制限を克服するため、スケールにわたるグローバル海洋のジオストロフィック運動エネルギーを分解するための空間的・時間的粗粒化手法を導入する。この手法により、100 km未塔のスケールに25–50%の総ジオストロフィックエネルギーが存在することが明らかになった—これはSWOT衛星以前の衛星製品では解像できない領域である—、また、時間平均エネルギーのうち最大70%が静的メソスケール渦（500 km未塔）に集中していることが判明した。さらに、北半球と南半球に顕著な非対称性が認められ、エネルギー分布に一貫したピークが約200 kmおよび約2–3週間のスケールに存在する。

ABSTRACT

We expand on a recent determination of the first global energy spectrum of the ocean's surface geostrophic circulation (Storer et al., 2022) using a coarse-graining (CG) method. We compare spectra from CG to those from spherical harmonics by treating land in a manner consistent with the boundary conditions. While the two methods yield qualitatively consistent domain-averaged results, spherical harmonics spectra are too noisy at gyre-scales ($>1000~$km). More importantly, spherical harmonics are inherently global and cannot provide local information connecting scales with currents geographically. CG shows that the extra-tropics mesoscales (100-500~km) have a root-mean-square (rms) velocity of $\sim15~$cm/s, which increases to $\sim30$-40~cm/s locally in the Gulf Stream and Kuroshio and to $\sim16$-28~cm/s in the ACC. There is notable hemispheric asymmetry in mesoscale energy-per-area, which is higher in the north due to continental boundaries. We estimate that $\approx25$-50\% of total geostrophic energy is at scales smaller than 100~km, and is un(der)-resolved by pre-SWOT satellite products. Spectra of the time-mean component show that most of its energy (up to $70\%$) resides in stationary mesoscales ($<500~$km), highlighting the preponderance of `standing' small-scale structures in the global ocean. By coarse-graining in space and time, we compute the first spatio-temporal global spectrum of geostrophic circulation from AVISO and NEMO. These spectra show that every length-scale evolves over a wide range of time-scales with a consistent peak at $\approx200$ km and $\approx2$-3~weeks.

研究の動機と目的

• 非周期的で境界が複雑な海洋域のため、フーリエスペクトル法の限界を克服すること。
• 空間的構造と時間的変動を両方捉えることのできる、グローバルジオストロフィック運動エネルギーのスケール分解を提供すること。
• SWOT衛星以前の製品で解像できない100 km未塔のスケールにおけるエネルギー割合を定量化すること。
• 時間平均循環における静的メソスケール渦の役割と、全運動エネルギーに与える寄与度を調査すること。
• 球面上の空間的・時間的粗粒化を用いることで、グローバルフーリエ変換に代わる、局所的でスケール特化型の海洋エネルギー分布の洞察を可能にすること。

提案手法

• AVISOおよびNEMOデータセットのジオストロフィック速度場に、球面上の対称性を保ちながらフィルタリングを適用する球面的粗粒化（CG）手法を採用する。
• フィルタ幅パラメータを用いて空間的粗粒化スケールを定義し、100 kmから惑星規模までにわたる長さスケールにおける運動エネルギーの分解を可能にする。
• 時間領域への拡張として時間フィルタリングを適用し、速度の時間平均成分と時間変動成分を分離可能にする。
• FlowSieveを用いて、全空間的・時間的領域にわたるスペクトルを効率的に計算する並列処理フレームワークを活用する。
• 地理的マスクおよび運動エネルギーに基づくマスク（時間平均および時間変動成分の運動エネルギーを用いて）を適用し、グulf stream やクロウシオ、ACC などの高エネルギー活動領域を特定する。
• 球面調和解析との比較による妥当性検証を行い、領域平均スペクトルは一貫しているが、ギルススケールでノイズが少なく、局所解像度が優れていることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバル海洋のジオストロフィック運動エネルギーの何パーセントが100 km未塔のスケールに存在するのか。これはSWOT衛星以前の解像度限界と比べてどう異なるか。
• RQ2 静的メソスケール渦（時間に依存しない構造）は、グローバル海洋の時間平均運動エネルギーにどの程度寄与しているか。
• RQ3 運動エネルギーの空間的・時間的変動はどのようになるか。特定の長さスケールおよび時間スケールに一貫したエネルギー分布のピークが存在するか。
• RQ4 大陸境界の影響を受けることから、北半球と南半球におけるエネルギー分布の違いは何か。特に、大陸境界効果と関連してどう異なるか。
• RQ5 球面上の粗粒化は、海洋流体のスペクトル分解において、従来の球面調和解析よりも正確で局所的な情報を提供できるか。

主な発見

• 総ジオストロフィック運動エネルギーのおよそ25–50%が100 km未塔のスケールに存在しており、これはSWOT衛星以前の衛星製品では解像できないエネルギーの大きな割合であることを示している。
• ジオストロフィック速度の時間平均成分は、500 km未塔のスケールの静的メソスケール渦に最大70%のエネルギーを含んでおり、時間に依存しない小スケール構造の支配的役割が浮き彫りになった。
• 中緯度メソスケール（100–500 km）のルート・マンスリー・スケール速度は、全球平均で約15 cm/sであり、グulf stream およびクロウシオでは局所的に約30–40 cm/s、南極海周回海流（ACC）では約16–28 cm/s にまで上昇する。
• 大陸境界の影響により、北半球に比べて南半球のメソスケールエネルギー密度が低いという顕著な半球非対称性が認められる。
• 空間的・時間的スペクトルは、全領域で約200 kmの長さスケールおよび約2–3週間の時間スケールに一貫した運動エネルギーのピークを示している。
• 粗粒化は、球面調和解析に比べて滑らかで、地理的に局所化されたスペクトルを生成する。特に、境界が複雑な地域では、ギルススケール（1000 km以上）で過剰なノイズが生じる球面調和解析と比較して優位性を示す。