[논문 리뷰] On constraining the mesoscale eddy energy dissipation time-scale

Julian Mak, Alexandros Avdis외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 16.

Oceanographic and Atmospheric Processes인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고해상도 시뮬레이션 데이터와 최적화를 사용하여 해양 내 공간적으로 변화하는 메조스케일 에디 흩어짐 시간스케일을 계산적으로 효율적인 역모델링 방법으로 제약하는 것을 제안한다. 이는 남극해, 서부 경계류, 서부 경계에서 가장 짧은 시간스케일을 보이며, 이들 지역이 지구력 메조스케일에서 에너지가 손실되는 주요 지역임을 시사한다.

ABSTRACT

A physically plausible lower bound on the spatially varying geostrophic mesoscale eddy energy dissipation time-scale within the ocean, related to the geographical energy transfer rate out of the geostrophic mesoscales, is provided by means of a simple and computational inexpensive inverse calculation. Data diagnosed from a high resolution global configuration ocean simulation is supplied to a parameterized model of the geostrophic mesoscale eddy energy, from which the dissipation time-scale results as a solution to an optimization calculation. We find that the dissipation time-scale is shortest in the Southern Ocean, in the Western Boundary Currents, and on the western boundaries, consistent with the expectation that these regions are notable sites of baroclinic activity with processes leading to energy transfer out of the geostrophic mesoscales. Although our solution should be interpreted as a lower bound given the assumptions going into the calculation, it serves as an important physically consistent base line reference for further investigations into ocean energetics, as well as for an intended inference calculation that is more complete but also much more complex.

연구 동기 및 목표

• 공간적으로 변화하는 지구력 메조스케일 에디 에너지 흩어짐 시간스케일에 대해 물리적으로 일관되며 계산적으로 비용이 저렴한 하한선을 제공하기 위해.
• 미세구조 파arameterization에서의 에너지 전이를 이해하고 향후 복잡한 추론 계산을 위한 기초 기준을 제공하기 위해.
• 하나의 핵심 매개변수인 에디 에너지 흩어짐 시간스케일에 대한 강력한 제약가 없음을 해결하기 위해.
• 메조스케일 에디 과정의 에너지 제약 기반 파arameterization을 정보 제공함으로써 해양 모델 성능 향상에 기여하기 위해.
• 현재 개발 중인 더 복잡한 역학적으로 제약된 추론 프레임워크의 사전 정보로 기능하기 위해.

제안 방법

• NEMO ORCA0083-N01를 사용한 고해상도 전 세계 해양 시뮬레이션을 통해 에디 에너지 및 정성분포 데이터를 진단한다.
• 시간에 따라 변화하는 흩어짐 항을 포함한 지구력 메조스케일 에디 에너지 진화의 파라미터화된 모델을 적용한다.
• 관측된 에디 에너지 특징을 가장 잘 재현하는 공간적으로 변화하는 흩어짐 시간스케일을 추론하기 위해 최적화 기반의 역계산을 수행한다.
• 변분 프레임워크 내에서 흩어짐 시간스케일을 제어 변수로 간주하여 모의된 에너지와 목표 에너지 간의 불일치를 최소화한다.
• Firedrake 유한요소 프레임워크를 사용하여 인접 미분 기반 최적화를 수행하고, Qmesh를 사용하여 메esh 생성을 수행한다.
• 특히 정성분포가 사전에 설정된 점을 고려할 때 모델 가정으로 인해 해답이 하한선으로 간주된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구 전체 해양에서 메조스케일 에디 에너지 흩어짐 시간스케일이 가장 짧은 지역은 어디이며, 이는 지구력 메조스케일에서의 에너지 손실이 가장 강한 지역임을 시사하는가?
• RQ2 계산적으로 효율적인 역모델링 방법이 공간적으로 변화하는 에디 에너지 흩어짐 시간스케일에 대해 물리적으로 일관된 하한선을 제공할 수 있는가?
• RQ3 유추된 시간스케일은 알려진 바르로클리닉 불안정성 및 에디 활동 지역의 기대와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 전기적 예측 모델 감도 분석에 기반해, 흩어짐 시간스케일이 해양의 대규모 순환과 정성분포에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 이 결과는 해양 에너지학에서 더 복잡한 역학적으로 제약된 추론 방법에 신뢰할 수 있는 사전 정보로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 메조스케일 에디 에너지 흩어짐 시간스케일은 남극해에서 가장 짧으며, 이는 바르로클리닉 불안정성과 에너지 전이의 주요 지역으로서의 역할과 일치한다.
• 서부 경계류 및 서부 해양 경계에서도 흩어짐 시간스케일이 가장 짧게 나타나며, 이는 강한 에디 활동과 에너지 손실을 시사한다.
• 특히 정성분포가 사전에 설정된 점을 고려할 때 모델 가정으로 인해 유추된 시간스케일은 하한선으로 간주된다.
• 하한선이지만, 이 해법은 해양 에너지학 및 향후 추론 연구에 대해 물리적으로 일관된 기초 기준을 제공한다.
• 기존의 예측 모델 실험에서 시간스케일은 상당한 민감도를 보이며, 미세한 변화가 해양 순환과 정성분포에 큰 영향을 미친다.
• 이 방법은 메조스케일 에디 파라미터화에서 핵심 매개변수에 대해 계산적으로 실현 가능한 제약 조건을 제공하며, 모델 성능 향상에 기여한다.