[論文レビュー] Zonal jets at the laboratory scale: hysteresis and Rossby waves resonance

Daphné Lemasquerier, Benjamin Favier+1 more|St Andrews Research Repository (St Andrews Research Repository)|Aug 24, 2020

Oceanographic and Atmospheric ProcessesEarth and Planetary Sciences参考文献 112被引用数 20

ひとこと要約

この実験的研究では、強い一様な地形β効果と小スケール乱流駆動を有する回転トレイにおいて、ゾナルジェットの形成を調査している。時間分解能のあるPIVを用いて、低駆動力では弱く安定したジェット、高駆動力では強く動的で広がったジェットという二つのジェット状態の間の準位相的分岐を特定した。この分岐は、駆動されたロスビー波と背景ゾナルフローとの間の共鳴によって駆動されている。

ABSTRACT

The dynamics, structure and stability of zonal jets in planetary flows are still poorly understood, especially in terms of coupling with the small-scale turbulent flow. Here, we use an experimental approach to address the questions of zonal jets formation and long-term evolution. A strong and uniform topographic $β$-effect is obtained inside a water-filled rotating tank thanks to the paraboloidal fluid free upper surface combined with a specifically designed bottom plate. A small-scale turbulent forcing is performed by circulating water through the base of the tank. Time-resolving PIV measurements reveal the self-organization of the flow into multiple zonal jets with strong instantaneous signature. We identify a subcritical bifurcation between two regimes of jets depending on the forcing intensity. In the first regime, the jets are steady, weak in amplitude, and directly forced by the local Reynolds stresses due to our forcing. In the second one, we observe highly energetic and dynamic jets of width larger than the forcing scale. An analytical modeling based on the quasi-geostrophic approximation reveals that this subcritical bifurcation results from the resonance between the directly forced Rossby waves and the background zonal flow.

研究の動機と目的

• 制御された実験的条件下で、惑星規模の流れにおけるゾナルジェットの自己組織化を理解すること。
• 小スケール乱流駆動と大規模ゾナルジェットダイナミクスとの間の結合を調査すること。
• 顕著なジェット状態の遷移の背後にあるメカニズム、特に強力で広がったジェットの出現を特定すること。
• ロスビー波共鳴が直接的駆動を超えてゾナルフローを強化する役割を検証すること。

提案手法

• 放物面状の自由表面と特別に設計された底部プレートを備えた水を満たした回転トレイにより、強い一様な地形β効果が生成された。
• トレイ底部の6つのリングを通じた制御された水循環を用いて、局所的エネルギー入力を模倣する小スケール乱流駆動が適用された。
• 時間分解能のある粒子画像ビジメトリー（PIV）を用いて、全速度場を測定し、ジェットの形成と進化を捉えた。
• 準地軸的解析モデルを用いて分岐行動を解釈し、レイノルズ応力とロスビー波ダイナミクスを組み込んだ。
• 駆動力の強さを定量化するために、特定の領域におけるRMS速度測定を用いて、現場での駆動力キャリブレーションを実施した。
• モデルパラメータ（摩擦、β、駆動波数）の感度分析を実施し、モデルの予測能力を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小スケール駆動を有する実験スケールの回転流において、ゾナルジェットが形成されるメカニズムは何か？
• RQ2 駆動力の強度が増加するに従い、システムが顕著なジェット状態の間でどのように遷移するか？
• RQ3 ロスビー波共鳴が直接的駆動を超えてゾナルフローを強化する役割を果たすか？
• RQ4 乱流渦とゾナル平均フローとの非線形相互作用が、ジェットの安定性と振幅をどの程度支配するか？

主な発見

• 弱い駆動力では弱く安定したジェット、強い駆動力では強く動的で広がったジェットという二つのジェット状態の間で、準位相的分岐が観測された。
• 分岐は、準地軸的モデルによって確認されたように、直接的に駆動されたロスビー波と背景ゾナルフローとの間の共鳴によって駆動されている。
• 高駆動力状態では、ジェットの振幅と幅が駆動スケールを著しく超えており、非線形エネルギー移動を示している。
• 高駆動力状態におけるゾノストロフィー指数 $ R_{\beta} \approx 2.84 $ は、ジェットが明確で安定したゾノストロフィック状態にあることを示している。
• 低駆動力状態では $ R_{\beta} \approx 2.26 $ であり、強力な非等方的化の閾値に近い状態であることを示している。
• モデル感度分析の結果、二安定領域とジェット振幅は摩擦係数とβ効果に最も敏感であり、実験的数値は観測範囲内に収まっている。