[論文レビュー] Surface heating steers planetary-scale ocean circulation

Dhruv Bhagtani, Andrew McColl Hogg+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2023

Oceanographic and Atmospheric ProcessesEarth and Planetary Sciences被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、表面加熱、特にその緯度方向勾配が、大規模な海洋の渦流を顕著に制御することを示している。これは、長年にわたり、渦流循環を風圧力にのみ起因するとするSverdrupバランス理論に挑戦するものである。エディーを許容するグローバル海洋モデルのシミュレーションを用いて、表面熱フラックスの摂動が、10年スケールで1W m⁻²あたり最大約0.15 Svの渦流循環異常を引き起こすことが示された。さらに、長期間にわたるスケールでは、浮力構造の調整に起因する非線形フィードバックが顕在する。

ABSTRACT

Gyres are central features of large-scale ocean circulation and are involved in transporting tracers such as heat, nutrients, and carbon-dioxide within and across ocean basins. Traditionally, the gyre circulation is thought to be driven by surface winds and quantified via Sverdrup balance, but it has been proposed that surface buoyancy fluxes may also contribute to gyre forcing. Through a series of eddy-permitting global ocean model simulations with perturbed surface forcing, the relative contribution of wind stress and surface heat flux forcing to the large-scale ocean circulation is investigated, focusing on the subtropical gyres. In addition to gyre strength being linearly proportional to wind stress, it is shown that the gyre circulation is strongly impacted by variations in the surface heat flux (specifically, its meridional gradient) through a rearrangement of the ocean's buoyancy structure. On shorter timescales ($\sim$ decade), the gyre circulation anomalies are proportional to the magnitude of the surface heat flux gradient perturbation, with up to $\sim 0.15\,\mathrm{Sv}$ anomaly induced per $\mathrm{W}\,\mathrm{m}^{-2}$ change in the surface heat flux. On timescales longer than a decade, the gyre response to surface buoyancy flux gradient perturbations becomes non-linear as ocean circulation anomalies feed back onto the buoyancy structure induced by the surface buoyancy fluxes. These interactions complicate the development of a buoyancy-driven theory for the gyres to complement the Sverdrup relation. The flux-forced simulations underscore the importance of surface buoyancy forcing in steering the large-scale ocean circulation.

研究の動機と目的

• 従来の風圧力駆動にとどまらない、大規模な海洋の渦流の駆動要因を再評価すること。
• 特に熱フラックスを含む表面浮力フラックスの、渦流循環に与える相対的寄与を定量化すること。
• 短期的（10年スケール）と長期的（数十年スケール）の時間スケールにおける、渦流応答の違いを調査すること。
• 浮力駆動をSverdrupバランス理論と併せて補完的理論に組み込むことが可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 表面強制を変更したACCESS-OM2-025を用いた、エディーを許容するグローバル海洋モデルのシミュレーションを実施した。
• 風圧力と表面熱フラックスの影響を分離するため、制御された摂動を加えた別々のフラックス強制シミュレーションを実行した。
• Sverdrup関係をベースラインとして、風圧力と浮力駆動に対する渦流輸送応答を比較した。
• 時間経過に伴う緯度方向質量輸送および浮力構造の変化を追跡し、フィードバック機構を評価した。
• 風感度実験における意図しない浮力フラックス異常を最小限に抑えるために、修正されたKプロファイルパラメータライゼーションを適用した。
• 高性能なデータ解析および図作成のために、daskとxarrayを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面熱フラックス、特にその緯度方向勾配が、亜熱帯渦流の強さと構造にどの程度影響を与えるか？
• RQ2 10年スケールと数十年スケールの両方において、表面熱フラックス摂動に対する渦流循環の応答はどのように異なるか？
• RQ3 浮力駆動は、風圧力と同等に、渦流循環の主要な駆動要因と見なせるか？
• RQ4 海洋の浮力構造が、表面熱フラックス変化への応答を媒介する役割を果たすか？
• RQ5 循環異常と浮力駆動の間のフィードバックが、時間経過とともに線形性をどのように変化させるか？

主な発見

• 渦流循環は風圧力に線形に比例し、Sverdrup関係が基本的駆動要因であることを確認した。
• 表面熱フラックス摂動が、10年スケールで1W m⁻²あたり最大約0.15 Svの渦流循環異常を引き起こす。
• 10年以上のスケールでは、循環と浮力構造の間のフィードバックにより、熱フラックス勾配に対する渦流応答が非線形になる。
• 緯度方向の表面熱フラックス勾配が極めて重要であり、加熱が適用される場所が、渦流応答の大きさと方向を決定づける。
• 浮力駆動は海洋の層密度構造と浮力構造を顕著に変化させ、その結果、渦流ダイナミクスが調整される。
• 完全な渦流理論は、風圧力に加え、表面浮力駆動を主要な駆動要因として組み込む必要がある。これにより、観測された循環パターンを説明できる。