[论文解读] Global Energy Spectrum of the General Oceanic Circulation

Benjamin A. Storer, Michele Buzzicotti+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2022

Oceanographic and Atmospheric Processes被引用 11

一句话总结

本研究利用卫星和再分析数据，首次构建了全球海洋环流的纬向波数谱，采用粗粒化方法解析了从10 km到10⁴ km尺度的湍流动能。研究识别出南极绕极流（ACC）在约10×10³ km处形成主导的谱峰，并在大于10³ km的尺度上发现此前未观测到的k⁻¹幂律标度，尽管在100–500 km的中尺度区域谱峰较小，但其贡献了超过50%的解析表面动能。

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.

研究动机与目标

• 利用卫星和模型数据解析全球海洋环流在所有可分辨尺度上的湍流动能（KE）谱，包括行星尺度动力学。
• 确定约100 km尺度的中尺度涡旋是否真正构成KE谱的峰值，如传统假设所示。
• 研究大于10³ km尺度的能量分布与季节动力学，此前因区域采样不足和有限尺寸效应导致谱分析受限。
• 识别大尺度谱特征，如幂律标度和季节循环中的相位滞后，并将其与地球物理动力学联系起来。
• 通过引入一种能量守恒、覆盖全动态范围的全球粗粒化框架，实现海洋能量传输的多尺度分析。

提出的方法

• 将粗粒化方法应用于卫星高度计（AVISO）和高分辨率海洋再分析（NEMO）的表面速度场，以在不同尺度上划分湍流动能。
• 该方法计算每个尺度ℓ的粗粒化流动的KE，实现对波数域内动能的全球、能量守恒的分解。
• 在约10 km至10⁴ km的尺度范围内进行谱分析，避免了传统傅里叶分析在小区域域中常见的谱泄漏和窗函数伪影。
• 使用60天滑动平均分析KE的季节循环，以识别不同尺度之间最大值的滞后时间。
• 通过在ℓ > 10³ km范围内拟合谱，评估幂律标度，并将观测到的斜率与准地转模型的理论预测进行比较。
• 使用集合采样计算不确定性估计，并在方法部分的表E1中报告。

实验结果

研究问题

• RQ1 约100 km尺度的中尺度带是否真正代表了海洋湍流动能谱的峰值，还是被区域偏差所掩盖？
• RQ2 大于10³ km尺度的动能含量是多少，特别是与环流和南极绕极流的关系如何？
• RQ3 在大尺度上是否存在普遍的幂律标度，其是否与风强迫准地转模型的理论预测（如k⁻¹）一致？
• RQ4 为何大尺度运动在季节循环中相对于小尺度运动表现出约40天的稳定滞后？
• RQ5 中尺度与行星尺度运动之间的能量如何传递，该过程是否与逆向能量级联一致？

主要发现

• 全球外热带海洋的谱峰位于约10×10³ km处，对应于主导行星尺度动能的南极绕极流（ACC）。
• 在约300 km处观测到一个较小的谱峰，与中尺度涡旋相关，由于其波数分布较广，其贡献超过总解析表面动能的50%。
• 在大于10³ km的尺度上，首次识别出KE谱中未被观测到的k⁻¹幂律标度，与风强迫准地转模型的理论预测一致。
• 尺度为两倍大的运动在季节循环中表现出约40天的滞后，两个半球中，100 km尺度的KE在春末达到峰值，10³ km尺度的KE在夏末达到峰值。
• 在南半球，约10×10³ km处的ACC谱峰与冬季最大风力强迫相关，而10³–3×10³ km尺度的环流运动在秋季达到峰值，与上层海洋加热周期一致。
• 在北半球，由于大陆边界的影响，约4×10³ km处的环流尺度峰值被抑制，且大于5×10³ km尺度的KE过低，无法在谱中产生有意义的信号。