[論文レビュー] Stokes drift should not be added to ocean general circulation model velocities

Gregory LeClaire Wagner, Navid C. Constantinou+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2022

Oceanographic and Atmospheric Processes被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、波動に依存しないモデルがすでにラグランジュ平均速度（真の全輸送速度）を再現しているため、波動に依存しない海洋一般循環モデル（OGCM）の出力にストークス輸送を追加すべきでないと主張している。著者たちは長年の「オイラー平均仮説」を否定し、代わりに「ラグランジュ平均仮説」を提唱しており、理論的分析とシミュレーションを通じて、OGCMが追加補正なしにラグランジュ平均の力学を本質的に捉えていることを示している。

ABSTRACT

Studies of ocean surface transport often invoke the "Eulerian-mean hypothesis": that wave-agnostic general circulation models neglecting explicit surface waves effects simulate the Eulerian-mean ocean velocity time-averaged over surface wave oscillations. Acceptance of the Eulerian-mean hypothesis motivates reconstructing the total, Lagrangian-mean surface velocity by adding Stokes drift to model output. Here, we show that the Eulerian-mean hypothesis is inconsistent, because wave-agnostic models cannot accurately simulate the Eulerian-mean velocity if Stokes drift is significant compared to the Eulerian-mean or Lagrangian-mean velocity. We conclude that Stokes drift should not be added to ocean general circulation model velocities. We additionally show the viability of the alternative "Lagrangian-mean hypothesis" using a theoretical argument and by comparing a wave-agnostic global ocean simulation with an explicitly wave-averaged simulation. We find that our wave-agnostic model accurately simulates the Lagrangian-mean velocity even though the Stokes drift is significant.

研究の動機と目的

• 波動に依存しない海洋一般循環モデル（OGCM）がオイラー平均速度を再現すると広く信じられている仮定に反論すること。
• ストークス輸送が平均流れに対して顕著な場合、OGCMがオイラー平均速度を出力すると仮定する『オイラー平均仮説』が一貫性を持たないことを示すこと。
• 代替として『ラグランジュ平均仮説』を提唱し、それが妥当であることを検証すること。この仮説では、OGCMが本質的にラグランジュ平均速度を再現する。
• 解像度が通常のOGCMで達成可能な水準では、表面波の解像化された効果は無視できるが、波平均の運動量バランスは正確な輸送モデリングにおいて不可欠であることを示すこと。
• 海洋モデルにおける基本的な運動量バランスを再定式化し、オイラー平均ではなくラグランジュ平均速度を主要な力学的量として位置づけること。

提案手法

• ストークス輸送が顕著な状況下でのオイラー平均仮説の整合性を評価するため、波平均のクレイク＝ライビッチ方程式のスケーリング解析を実施する。
• 波動に依存しないグローバル海洋シミュレーションと、明示的に波平均化されたシミュレーションを比較し、前者がラグランジュ平均速度を正確に捉えているかどうかを評価する。
• 運動量バランスと波平均方程式に基づく理論的議論を用いて、ラグランジュ平均速度が海洋力学における基本的平均速度であることを示す。
• OGCMにおけるパラメータライゼーション（例：Kプロファイル、垂直運動量フラックス）の役割を分析し、これらが本質的にラグランジュ平均速度に基づいて定式化されていることを示す。
• 解像度の異なるモデルにおいて、表面波の解像化された効果が海洋循環モデリングに与える影響を評価する。特に、準微小渦と中規模渦のスケールで注目する。
• MOM6およびWAVEWATCH IIIのモデルコードを用いてシミュレーションを生成し、異なる海洋環境においてラグランジュ平均仮説の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストークス輸送が平均流れに対して顕著な場合、波動に依存しないOGCMがオイラー平均速度を再現すると仮定する『オイラー平均仮説』は一貫性を持つのか？
• RQ2 波動に依存しない海洋一般循環モデルは、強いストークス輸送が存在する状況でも、ラグランジュ平均速度を正確に再現できるのか？
• RQ3 ラグランジュ平均速度が海洋運動量バランスにおいて果たす根本的役割とは何か？オイラー平均速度とはどのように異なるのか？
• RQ4 OGCMにおける波平均運動量方程式およびパラメータライゼーションは、ラグランジュ平均速度とどのように関係しているのか？なぜこの定式化がより物理的に整合的なのか？
• RQ5 空間的・時間的スケールにおいて、解像化された表面波効果が海洋循環モデリングにどの程度関係するのか？

主な発見

• 波動に依存しないモデルがストークス輸送が平均流れに対して顕著な場合、オイラー平均速度を正確に再現できないため、『オイラー平均仮説』は一貫性がない。
• 波動に依存しない海洋一般循環モデルは、ストークス輸送が大きくても、すでに正確にラグランジュ平均速度を再現しており、『ラグランジュ平均仮説』を支持する。
• ラグランジュ平均速度は海洋力学における基本的平均速度であり、運動量バランス方程式はこの量に基づいて定式化すべきである。
• Kプロファイルや垂直運動量フラックスのパラメータライゼーションは、$\boldsymbol{u}^\mathrm{L}$に関連する平均運動エネルギーを散逸させるという点で、ラグランジュ平均フレームワークと整合的である。
• 解像度$\nicefrac{1}{4}^\circ$では、表面波の解像化された効果は無視できるが、$\left(\boldsymbol{\nabla}\times\boldsymbol{u}^\mathrm{S}\right)\times\boldsymbol{u}^\mathrm{L}$項が無視できない大きさに達するような、より細かいスケールでは重要になる。
• したがって、OGCMの出力や観測データにストークス輸送を追加する慣習は、重複して波動由来の輸送を数えることになり、不必要かつ誤解を招く。