[논문 리뷰] Frequency dependence of near-surface oceanic kinetic energy from drifter observations and global high-resolution models

Brian K. Arbic, Shane Elipot외 13명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 17.

Oceanographic and Atmospheric Processes인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 드러퍼 관측과 두 개의 고해상도 전 세계 해양 모델(HYCOM 및 MITgcm)을 사용하여 저주파수, near-inertial, 일주기 및 반일주기 주파수 대역에서의 해면 근처 해양 운동에너지(KE)를 비교한다. 모델 성능은 주파수 대역에 따라 다름을 발견하였으며, HYCOM은 더 높은 주파수의 대기력에 의해 near-inertial KE를 더 잘 캡처하고, MITgcm는 개선된 표면형상 저항계수 파rameterization 덕분에 반일주기 KE를 더 잘 표현한다. 두 모델 모두 관측된 0 m 및 15 m 깊이에서의 KE 수직 구조의 대체 지표를 합리적으로 재현한다.

ABSTRACT

The geographical variability, frequency content, and vertical structure of near-surface oceanic kinetic energy (KE) are important for air-sea interaction, marine ecosystems, operational oceanography, pollutant tracking, and interpreting remotely sensed velocity measurements. Here, KE in high-resolution global simulations (HYbrid Coordinate Ocean Model; HYCOM, and Massachusetts Institute of Technology general circulation model; MITgcm), at the sea surface (0 m) and 15 m, are respectively compared with KE from undrogued and drogued surface drifters. Global maps and zonal averages are computed for low-frequency ($<$ 0.5 cpd), near-inertial, diurnal, and semi-diurnal bands. Both models exhibit low-frequency equatorial KE that is low relative to drifter values. HYCOM near-inertial KE is higher than in MITgcm, and closer to drifter values, probably due to more frequently updated atmospheric forcing. HYCOM semi-diurnal KE is lower than in MITgcm, and closer to drifter values, likely due to inclusion of a parameterized topographic internal wave drag. A concurrent tidal harmonic analysis in the diurnal band demonstrates that much of the diurnal flow is non-tidal. We compute a simple proxy of near-surface vertical structure, the ratio of 0 m KE to 0 m KE plus 15 m KE in model outputs, and undrogued KE to undrogued KE plus drogued KE in drifter observations. Over most latitudes and frequency bands, model ratios track the drifter ratios to within error bars. Values of this ratio demonstrate significant vertical structure in all frequency bands except the semidiurnal band. Latitudinal dependence in the ratio is greatest in diurnal and low-frequency bands.

연구 동기 및 목표

• 관측 및 모의 데이터를 사용하여 해면 근처 해양 운동에너지(KE)의 지리적 분포와 주파수 의존적 분포를 평가하기 위해.
• 드러퍼 관측과 비교하여 고해상도 전 세계 해양 모델(HYCOM 및 MITgcm)이 여러 주파수 대역에서 KE를 얼마나 잘 시뮬레이션하는지 평가하기 위해.
• 특히 near-inertial 및 반일주기 대역에서, 대기력 주파수와 파rameterized 감쇠에 대한 모의 KE의 민감도를 조사하기 위해.
• 0 m 및 15 m 깊이에서의 KE 비율(0 m KE / (0 m KE + 15 m KE))을 사용한 수직 구조 대체 지표를 정량화하고, 이를 모델과 드러퍼 간에 비교하기 위해.
• 향후 상층 해양 동역학 및 수직 구조 표현 향상을 위한 모델-관측 불일치를 특정하기 위해.

제안 방법

• 드러퍼 궤적(비드로우거 및 드로우거)에 스펙트럼 분석을 적용하여 저주파수(<0.5 cpd), near-inertial, 일주기 및 반일주기 주파수 대역에서의 KE를 분리한다.
• jLab의 inertialextract 기능을 사용한 웨이블릿 기반 복소 수식 분해를 적용하여 near-inertial 속도 성분을 추출하며, 정확한 주파수 필터링을 위해 분석 신호 성질을 활용한다.
• HYCOM 및 MITgcm 시뮬레이션에서 0 m 및 15 m 깊이에서의 KE를 계산하며, tidal 및 대기력 강제 조건을 포함한 고해상도 출력 자료를 사용한다.
• 수직 구조 대체 지표 비율을 계산: 0 m KE를 (0 m KE + 15 m KE)로 나눈 비율이며, 이는 모델 및 드러퍼 데이터 모두에 대해 수행된다.
• 일주기 대역에서 조석 조화 분석을 수행하여 조석 기여와 비조석 기여를 구분한다.
• 세계지도 및 적도 평균을 사용하여 다양한 위도와 주파수 대역에서 모델과 드러퍼 결과를 비교하며, 오차 막대 내에서의 일치성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HYCOM 및 MITgcm는 드러퍼 관측과 비교하여 해면 근처 운동에너지의 지리적 분포와 주파수 의존적 분포를 어떻게 시뮬레이션하는가?
• RQ2 HYCOM 및 MITgcm는 왜 near-inertial 및 반일주기 KE 대역에서 드러퍼 관측과 다른 정도의 일치를 보이는가?
• RQ3 모델에서 시뮬레이션한 수직 KE 구조(0 m / (0 m + 15 m) KE 비율을 통해)는 비드로우거 및 드로우거 드러퍼가 관측한 것과 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 대기력 주파수와 파rameterized 표면형상 저항계수는 near-inertial 및 반일주기 KE에서의 모델 편향에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 관측된 일주기 KE의 어느 정도가 비조석 과정에 기인하는가? 이는 모델-관측 비교에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• HYCOM은 MITgcm보다 드러퍼 관측에 더 가까운 near-inertial KE를 생성하며, 이는 더 자주 업데이트되는 대기력에 기인할 가능성이 높다.
• MITgcm는 HYCOM보다 높은 반일주기 KE를 보이지만, 둘 다 드러퍼보다 정확도가 떨어진다. HYCOM의 더 나은 일치는 파arameterized 표면형상 내부파 저항계수 포함로 인한 것으로 보인다.
• 조석 조화 분석 결과, 일주기 대역 KE의 상당 부분이 비조석임을 확인하여 비조석 과정의 상당한 기여를 시사한다.
• 0 m KE / (0 m + 15 m) KE 비율의 대체 지표는 대부분의 위도와 주파수 대역에서 두 모델 모두에서 잘 재현되었으며, 관측 오차 막대 내에서 일치하였다.
• 수직 KE 구조는 저주파수 및 일주기 대역에서 뚜렷한 반면, 반일주기 대역에서는 미미한 것으로 나타났다. 이는 대체 지표로 확인된다.
• 수직 구조 대체 지표의 위도 의존성은 일주기 및 저주파수 대역에서 가장 두드러지며, 이는 더 강한 분층성과 혼합층 역학을 반영한다.