[논문 리뷰] Global Energy Spectrum of the General Oceanic Circulation

Benjamin A. Storer, Michele Buzzicotti외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 09.

Oceanographic and Atmospheric Processes인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 위성 및 재분석 데이터를 활용하여 해양 순환의 세계적 파수 스펙트럼을 처음으로 제시하며, 10 km에서 10⁴ km까지의 스케일에서 운동 에너지를 해상도를 높여 분석하기 위해 거친 그레인 방법을 적용한다. 이 연구는 약 10×10³ km에서 약 10×10³ km의 앤티크틱 순환권(ACC)이 주요 스펙트럼 피크임을 규명하고, 10³ km 이상의 스케일에서 이전에 관측되지 않았던 k⁻¹ 거듭제곱 법칙의 스케일링을 발견한다. 또한, 메조스케일(100–500 km)은 더 작은 스펙트럼 피크를 보이지만 전체 해면 운동 에너지의 50% 이상을 기여한다.

ABSTRACT

Since the advent of satellite altimetry, our perception of the oceanic circulation has brought into focus the pervasiveness of mesoscale eddies that have typical scales of tens to hundreds of kilometers [5], are the ocean's analogue of weather systems, and are often thought of as the peak of the ocean's kinetic energy (KE) wavenumber spectrum [7, 19, 23]. Yet, our understanding of the ocean's spatial scales has been derived mostly from Fourier analysis in small representative regions (e.g. [16, 14, 4]), typically a few hundred kilometers in size, that cannot capture the vast dynamic range at planetary scales. Here, we present the first truly global wavenumber spectrum of the oceanic circulation from satellite data and high-resolution re-analysis data, using a coarse-graining method to analyze scales much larger than what had been possible before. Spectra spanning over three orders of magnitude in length-scale reveal the Antarctic Circumpolar Current (ACC) as the spectral peak of the global extra-tropical ocean, at $\approx 10 imes 10^3~$km. We also find a previously unobserved power-law scaling over scales larger than $10^3~$km. A smaller spectral peak exists at $\approx 300~$km associated with the mesoscales, which, due to their wider spread in wavenumber space, account for more than $50\%$ of the resolved surface KE globally. Length-scales that are twice as large (up to \(10^3\)~km) exhibit a characteristic lag time of \(\approx40~\)days in their seasonal cycle, such that in both hemispheres KE at $100~$km peaks in late spring while KE at $10^3~$km peaks in late summer. The spectrum presented here affords us a new window for understanding the multiscale general oceanic circulation within Earth's climate system, including the largest planetary scales.

연구 동기 및 목표

• 위성 및 모델 데이터에서 해상도가 확보된 모든 스케일에서 해양 순환의 세계적 운동 에너지(KE) 스펙트럼을 규명하는 것.
• 기존에 일반적으로 가정된 것처럼 약 100 km에서 메조스케일 에디의 피크가 실제로 해양 운동 에너지 스펙트럼의 진정한 피크인지 확인하는 것.
• 이전에 지역 샘플링과 유한한 크기의 아티팩트로 인해 제한되었던 10³ km 이상의 스케일에서의 에너지 분포 및 계절적 역학을 조사하는 것.
• 큰 스케일의 스펙트럼적 특성, 예를 들어 거듭제곱 법칙 스케일링과 계절 주기에서의 위상 이완을 규명하고, 이를 지리물리학적 역학과 연결하는 것.
• 에너지 보존과 전체 동역학 범위를 포함하는 세계적 거친 그레인 프레임워크를 도입하여 해양 에너지 이행의 다중 스케일 분석을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 위성 고도계(AVISO)와 고해상도 해양 재분석(NEMO)의 표면 유속 장에 거친 그레인 방법을 적용하여, 길이 스케일에 따라 운동 에너지를 분할한다.
• 각 스케일 ℓ에서 거친 그레인 흐름의 운동 에너지를 계산함으로써, 파수에 따라 에너지 보존 원칙을 만족하는 세계적이고 에너지 보존적인 운동 에너지 분해를 가능하게 한다.
• 스펙트럼 분석은 약 10 km에서 10⁴ km까지의 스케일에서 수행되며, 소규모 지역 도메인에서의 전통적인 푸리에 분석에서 흔히 발생하는 스펙트럼 유출 및 윈도우 아티팩트를 피한다.
• 60일 이동 평균을 사용하여 운동 에너지의 계절 주기를 분석함으로써, 서로 다른 스케일에서 최대치 간의 지연 시간을 규명한다.
• 10³ km 이상의 스케일 범위에서 스펙트럼에 거듭제곱 법칙 스케일링을 적합하여 관측된 기울기를, 준지오스피틱 모델의 이론적 예측과 비교한다.
• 불확실성 추정치는 앙상블 샘플링을 사용하여 계산되었으며, 방법 섹션의 표 E1에 보고되어 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약 100 km에서의 메조스케일 밴드가 실제로 해양 운동 에너지 스펙트럼의 진정한 피크인지, 아니면 지역적 편향에 의해 가려졌는가?
• RQ2 10³ km 이상의 스케일에서 운동 에너지의 함량은 무엇이며, 특히 고리형 순환과 앤티크틱 순환권과의 관련성은 어떠한가?
• RQ3 큰 스케일에서 보편적인 거듭제곱 법칙 스케일링이 존재하는가? 그리고 이는 바람에 의해 자극되는 준지오스피틱 모델의 이론적 예측인 k⁻¹와 일치하는가?
• RQ4 왜 더 큰 스케일의 운동은 더 작은 스케일보다 일관되게 약 40일의 지연 시간을 보이는가?
• RQ5 메조스케일과 행성 스케일 운동 간의 에너지 이행은 어떻게 이루어지며, 이는 역방향 캐스케이드와 일관되는가?

주요 결과

• 세계적 비열대 해역의 스펙트럼 피크는 약 10×10³ km에 위치하며, 이는 앤티크틱 순환권(ACC)에 해당하며, 행성 스케일에서 운동 에너지를 지배한다.
• 약 300 km에서 더 작은 스펙트럼 피크가 관측되며, 이는 메조스케일 에디와 관련되어 있으며, 넓은 파수 분포 덕분에 총 해면 운동 에너지의 50% 이상을 기여한다.
• 10³ km 이상의 스케일에서 이전에 관측되지 않았던 k⁻¹ 거듭제곱 법칙 스케일링이 운동 에너지 스펙트럼에서 확인되었으며, 바람에 의해 자극되는 준지오스피틱 모델의 이론적 예측과 일치한다.
• 두 배로 큰 길이 스케일에서는 약 40일의 지연 시간이 관측되며, 100 km 스케일에서 운동 에너지가 늦봄에 최고조에 도달하고, 10³ km 스케일에서 운동 에너지가 양반구에서 모두 늦여름에 최고조에 도달한다.
• 남반구에서는 약 10×10³ km에서 ACC 피크가 겨울에 최대 바람 힘과 상관관계를 보이며, 고리형 스케일 운동(10³–3×10³ km)은 가을에 최고조에 도달한다. 이는 상층 해양 가열 주기와 일치한다.
• 북반구에서는 대륙 경계로 인해 약 4×10³ km에서 고리형 스케일 피크가 억제되며, 5×10³ km 이상의 스케일에서 운동 에너지가 스펙트럼에서 의미 있는 정도로 낮다.