[论文解读] Persistent Lagrangian transport patterns in the northwestern Gulf of Mexico

Matt K. Gough, F. J. Beron‐Vera+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2017

Oceanographic and Atmospheric Processes参考文献 21被引用 5

一句话总结

本研究利用墨西哥湾西北部区域的每日气候学表层海流数据（来自允许模拟亚中尺度过程的海洋模型），识别出持久的拉格朗日相干结构（LCSs）。研究发现，在陆架断裂带存在一条稳定、钩状的吸引性LCS，其能将陆架来源的示踪物顺行捕获并沿反气旋方向输送，同时局部吸引力降低区域则允许跨陆架输送——这对预测油污扩散至关重要。

ABSTRACT

Persistent Lagrangian transport patterns at the ocean surface are revealed from Lagrangian Coherent Structures (LCSs) computed from daily climatological surface current velocities in the northwestern Gulf of Mexico (NWGoM). The velocities are produced by a submesoscale permitting regional ocean model of the Gulf of Mexico. The significance of the climatological LCSs (cLCSs) is supported with ensemble-mean drifter density evolutions from simulated and historical satellite-tracked drifter trajectories. A persistent attracting barrier between the NWGoM shelf and the deep ocean is effectively identified by a hook-like pattern associated with groups of overall strongly attracting cLCSs that extend along the shelf break. Localized reductions in the attraction rate along these overall strongly attracting cLCSs proximal to cross-shore oriented cLCSs identify a pathway for potential transport across the shelf break. Groups of overall weakly-attracting cLCSs are not seen to strongly constrain material transport. Tracers originating over the shelf tend to be trapped there by the hook-like pattern as they spread cyclonically. Tracers originating beyond the shelf tend to be initially attracted to the hook-like pattern as they spread anti-cyclonically and eventually over the deep ocean. The findings have important implications for the mitigation of contaminant accidents such as oil spills.

研究动机与目标

• 利用气候学表层海流数据，识别墨西哥湾西北部持久的拉格朗日输运屏障。
• 评估拉格朗日相干结构（LCSs）在组织陆架断裂带物质输运中的作用。
• 通过模拟和历史卫星追踪轨迹的集合平均漂浮物密度，验证所识别LCSs的重要性。
• 确定这些结构如何影响陆架来源与深海区域来源示踪物的命运。
• 为改善输运预测提供可操作的见解，以减轻油污泄漏等环境灾难的影响。

提出的方法

• 基于墨西哥湾区域亚中尺度允许的区域海洋模型生成的每日气候学表层速度场，计算拉格朗日相干结构（LCSs）。
• 分析LCSs的空间与时间持久性，以识别长期输运屏障与路径。
• 利用模拟与历史卫星追踪轨迹的集合平均漂浮物密度，验证所计算LCSs的重要性。
• 识别出沿陆架断裂带呈钩状的强吸引性LCS模式，其为最主要的输运屏障。
• 检查这些结构上吸引力速率的局部降低，以探测潜在的跨陆架输运路径。
• 追踪在陆架及陆架外释放的示踪物演化过程，评估其顺行与反气旋扩散模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在墨西哥湾西北部表层海洋中，存在哪些持久的拉格朗日输运结构？
• RQ2 这些结构如何影响水体与示踪物的输运与捕获？
• RQ3 所识别的LCSs在多大程度上作为跨陆架交换的屏障或通道？
• RQ4 模拟的漂浮物密度模式与历史观测相比，如何验证LCSs的有效性？
• RQ5 这些输运模式对油污泄漏缓解与污染物扩散有何影响？

主要发现

• 在陆架断裂带形成一条持久的、钩状的强吸引性拉格朗日相干结构（cLCSs），作为主要输运屏障。
• 在陆架上释放的示踪物受钩状结构吸引，发生顺行扩散。
• 在陆架外释放的示踪物最初被吸引至钩状结构，随后在深海区域发生反气旋式扩散。
• 主cLCSs上吸引力速率的局部降低，表明存在潜在的跨陆架输运路径。
• 弱吸引性cLCSs群对物质输运无显著约束，表明其在大尺度环流中作用有限。
• 气候学LCSs（cLCSs）通过模拟与历史卫星追踪轨迹的集合平均漂浮物密度得到验证，确认其稳健性与实际相关性。