[논문 리뷰] Zonal jets at the laboratory scale: hysteresis and Rossby waves resonance

Daphné Lemasquerier, Benjamin Favier외 1명|St Andrews Research Repository (St Andrews Research Repository)|2020. 08. 24.

Oceanographic and Atmospheric ProcessesEarth and Planetary Sciences참고 문헌 112인용 수 20

한 줄 요약

이 실험적 연구는 강한 균일한 지형 β효과와 소규모 난류 힘을 가진 회전하는 탱크에서의 영역별 기류 형성에 대해 다룬다. 시간 해상도가 높은 PIV를 사용하여, 낮은 힘에서는 약한 정적인 기류이고 높은 힘에서는 강력하고 동적인 넓은 기류로의 초임계 분기(subcritical bifurcation)를 규명하였으며, 이는 강제된 로시비 파와 배경의 수평 기류 간의 공진에 의해 유도된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 제어된 실험실 조건에서 별성 스케일의 유동에서 영역별 기류의 자가조직화 메커니즘을 이해하기 위해.
• 소규모 난류 힘과 대규모 수평 기류 역학 간의 결합 메커니즘을 조사하기 위해.
• 특히 강력하고 넓은 기류의 출현을 포함한 다양한 기류 제도 간 전이 메커니즘을 규명하기 위해.
• 로시비 파 공진이 직접적인 힘을 초월해 수평 기류를 증폭시키는 데서 수행하는 역할을 검증하기 위해.

제안 방법

• 파라볼로이드 자유 표면를 가진 물로 채운 회전 탱크와 특수 설계된 바닥판을 통해 강력하고 균일한 지형 β효과를 생성한다.
• 탱크 바닥의 여섯 개 고리에 통과하는 제어된 물 순환을 통해 소규모 난류 힘을 적용하여 국소적 에너지 입력을 시뮬레이션한다.
• 시간 해상도가 높은 입자 영상 속도 측정(PIV)을 통해 전체 속도장을 측정하여 기류 형성과 진화 과정을 기록한다.
• 비지상 기상학적 분석 모델을 사용하여 분기 행동을 해석하며, 레이놀즈 응력과 로시비 파 역학을 통합한다.
• 강도 측정을 위해 정의된 영역 내에서 RMS 속도 측정을 현장에서 수행하여 힘의 강도를 정량화한다.
• 모델의 예측 능력을 검증하기 위해 마찰 계수, β효과, 힘의 파수 등 모델 파라미터의 민감도 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소규모 힘을 가진 실험적 스케일의 회전 유동에서 영역별 기류 형성의 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 힘의 강도가 증가함에 따라 시스템이 다양한 기류 제도 간에 어떻게 전이되는가?
• RQ3 로시비 파 공진이 직접적인 힘을 초월해 수평 기류를 증폭시키는 데서 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 난류 소용돌이와 수평 평균 유동 간의 비선형 상호작용이 기류의 안정성과 진폭을 얼마나 지배하는가?

주요 결과

• 약한 정적 기류(낮은 힘)와 강력하고 동적인 넓은 기류(높은 힘) 사이의 초임계 분기가 관측되었다.
• 비지상 기상학적 모델을 통해 직접적으로 강제된 로시비 파와 배경 수평 기류 간의 공진이 전이의 원인임을 확인하였다.
• 고강도 힘 영역에서는 기류의 진폭과 폭이 힘의 규모를 크게 초월하여 비선형 에너지 전달을 나타낸다.
• 고강도 힘 영역에서의 조노스토프리 지수 $ R_{\beta} \approx 2.84 $ 는 기류가 잘 정의되고 안정된 조노스토프리 제도임을 나타낸다.
• 저강도 힘 영역에서는 $ R_{\beta} \approx 2.26 $ 로, 강한 이방성화의 임계점 근처의 제도임을 나타낸다.
• 모델 민감도 분석 결과, 이중 안정 영역과 기류 진폭은 마찰 계수와 β효과에 가장 민감하며, 실험적 값은 관측 범위 내에 포함된다.