[논문 리뷰] Buoy measurements of strong waves in ice amplitude modulation: a signature of complex physics governing waves in ice attenuation

Jean Rabault, Trygve Halsne외 26명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 15.

Arctic and Antarctic ice dynamicsEarth and Planetary Sciences인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 사르바르드 근처 마진얼 아이스존(Marginal Ice Zone, MIZ)에서 해빙 내 12시간 주기의 파장 진폭 변동을 현장 관측한 결과를 제시한다. 이는 tidal에 의해 유도된 해빙 수렴과 산산이 흩트림으로 인한 주기적 변화를 겪는 파동 감쇠 현상으로 보이며, 단지 개방된 해양의 파동 변동성이나 tidal만으로는 설명되지 않아, MIZ 내에서 동적인 주기적 작동을 하는 감쇠 메커니즘이 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

The Marginal Ice Zone (MIZ) forms a critical transition region between the ocean and sea ice cover as it protects the close ice further in from the effect of the steepest and most energetic open ocean waves. As waves propagate through the MIZ, they get exponentially attenuated. Unfortunately, the associated attenuation coefficient is difficult to accurately estimate and model, and there are still large uncertainties around which attenuation mechanisms dominate depending on the conditions. This makes it challenging to predict waves in ice attenuation, as well as sea ice breakup and dynamics. Here, we report in-situ observations of strongly modulated waves-in-ice amplitude, with a modulation period of around 12 hours. We show that simple explanations, such as changes in the incoming open water waves, or the effect of tides and currents and bathymetry, cannot explain for the observed modulation. Therefore, the significant wave height modulation observed in the ice most likely comes from a modulation of the waves-in-ice attenuation coefficient. To explain this, we conjecture that one or several waves-in-ice attenuation mechanisms are periodically modulated and switched on and off in the area of interest. We gather evidence that sea ice convergence and divergence is likely the factor driving this change in the waves in ice attenuation mechanisms and attenuation coefficient, for example by modulating the intensity of floe-floe interaction mechanisms.

연구 동기 및 목표

• 마진얼 아이스존(Marginal Ice Zone, MIZ)에서 해빙을 통과하는 파동 내 강한 12시간 주기의 진폭 변동 원인을 규명한다.
• 관측된 파동 변동성이 들어오는 개방 해양 파동, 조수, 해류 또는 수심 변화에 기인한 것인지 확인한다.
• 특히 주기적으로 켜지고 꺼지는 감쇠 메커니즘을 포함한 해빙 내 변동 감쇠의 물리적 원인을 규명한다.
• 해빙의 운동, 특히 수렴과 산산이 흩트림이 파동 감쇠 계수를 어떻게 조절하는지 평가한다.
• 향후 현장 캠프를 통해 빙판-빙판 상호작용과 감쇠 역학을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 기초를 마련한다.

제안 방법

• 사르바르드 근처 마진얼 아이스존에서 고시간 해상도를 가진 해양부이(OMBs)를 설치하여 파도 높이 및 빙판 운동을 기록한다.
• 현장에서 기록된 파장 진폭 시간 시리즈를 분석하여 주로 12시간 주기의 주기적 변동을 탐지한다.
• 비교 분석을 통해 조수 해류, 수심, 개방 해양 파동 변동성 등의 외부 원인을 배제한다.
• 衛星 SAR 자료와 파도 모델 출력(MFWAM)을 활용하여 부이 관측 결과를 검증하고 공간적 파도 패턴을 평가한다.
• 레이 트레이싱 및 스펙트럼 파도 분석을 적용하여 파동 전파 및 감쇠 행동을 재구성한다.
• 조수 강제력과 빙판 운동 데이터 간의 상관관계를 통해 해빙 운동의 역할을 평가하고 변동 메커니즘을 유추한다.

Figure 1 : Overview of the buoy deployment during the modulated significant wave height event. A total of 9 buoys are clustered in the same area at the South East of Svalbard around 2021-03-01. The overview map subfigure (left) presents the sea ice concentration (SIC, data source: internal product a

실험 결과

연구 질문

• RQ1 해빙 내에서 관측된 12시간 주기의 파장 진폭 변동은 무엇에 기인하는가?
• RQ2 이 변동은 들어오는 개방 해양 파동, 조수 또는 수심 변화로 설명될 수 있는가?
• RQ3 MIZ 내 파동 감쇠 계수는 주기적으로 변동되는가? 만약 그렇다면, 이를 이끄는 물리적 과정은 무엇인가?
• RQ4 해빙 수렴과 산산이 흩트림 사건이 파동 감쇠 메커니즘을 얼마나 조절하는가?
• RQ5 향후 측정 캠프는 어떻게 하면 빙판-빙판 상호작용과 그에 따른 파동 에너지 소산에 대한 영향을 더 잘 포착할 수 있는가?

주요 결과

• 해빙 내에서 강한 12시간 주기의 파장 진폭 변동이 관측되었으며, 이 주기 동안 최대 50%까지 파도 높이가 변동되었다.
• 다중 소스 데이터 분석을 통해 이 변동이 들어오는 개방 해양 파동, 조수, 해류 또는 수심 변화로 인한 것이 아니라는 것이 확인되었다.
• 관측된 변동은 해빙 지역 내에서 주기적으로 변화하는 파동 감쇠 계수에 기인한 것으로 가장 타당하게 설명된다.
• 조수 강제력이 해빙 수렴과 산산이 흩트림을 유도하여, 이로 인해 빙판-빙판 상호작용 메커니즘이 주기적으로 켜지고 꺼지며 파동 에너지 소산을 조절할 수 있다.
• 남동부 사르바르드 지역은 빙판 운동이 안정적이고 설치 조건이 유리하여 향후 장기 연구에 적합한 지역으로 확인되었다.
• 본 연구는 향후 현장 캠프에서 빙판 충돌 통계 및 빙판의 응답 진폭 연산자(ROA)를 기록할 수 있도록 부이 장비를 강화할 것을 제안한다.

Figure 2 : 1-dimensional wave spectrum for the 3 instruments furthest in the MIZ that are equipped with wave measurement capability (referred to as the Buoys Of Interest (BOIs) with IDs 19648, 200905, 13319), obtained during the time of the modulated SWH wave event. The instrument ID 19648 is a v202