[论文解读] Direct observational evidence of an oceanic dual kinetic energy cascade and its seasonality

Dhruv Balwada, Jin-Han Xie+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2022

Oceanographic and Atmospheric Processes被引用 5

一句话总结

本研究利用墨西哥湾表面漂流器数据，首次提供了海洋中双重动能级联的直接观测证据。结果表明，动能在两个主导尺度上被注入，并同时向大尺度和小尺度传递，其中在1–10 km以下尺度存在主导的正向级联，且其强度具有季节性调制，冬季通量更强。

ABSTRACT

The Ocean's turbulent energy cycle has a paradox; large-scale eddies under the control of Earth's rotation primarily transfer kinetic energy (KE) to larger scales via an inverse cascade, while a transfer to smaller scales is needed to accomplish dissipation. It has been argued, using numerical simulations, that fronts, waves and other turbulent structures can produce a forward cascade of KE toward dissipation scales. However, this forward cascade and its coexistence with known inverse cascade were not confirmed in observations. Here we present the first evidence of a dual KE cascade in the Ocean by analyzing velocity measurements from surface drifters released in the Gulf of Mexico. Our results show that KE is injected at two dominant scales and transferred to both large and small scales, with the downscale flux dominating at scales smaller than ~1-10km. The cascade rates are modulated seasonally, with stronger KE injection and forward transfer during winter.

研究动机与目标

• 为解决海洋动能耗散悖论，识别尽管存在主导的逆级联，能量仍被传递至小尺度的机制。
• 通过观测确认此前仅通过高分辨率模拟推断的亚中尺度正向动能级联的存在。
• 量化海洋表层动能注入与传递速率的季节性调制。
• 开发并应用一种稳健的方法，利用结构函数从稀疏、非网格化的漂流器数据中估计跨尺度能量通量。
• 通过直接测量而非基于模型的推断，验证双重级联——即同时存在大尺度与小尺度能量传递——的存在。

提出的方法

• 利用在墨西哥湾部署的1,045个表面漂流器的速度测量数据，估算二阶与三阶速度结构函数。
• 应用各向同性结构函数分析，通过三阶结构函数与谱通量之间的关系，推断跨尺度的能量传递速率。
• 采用分段常数谱通量模型，反演三阶结构函数，以估计不同波数处的能量注入速率与净通量。
• 使用亥姆霍兹分解将速度场分离为旋转（涡旋）与发散（非地转）分量，将其与动力学状态关联。
• 通过签名函数和理想化函数形式等替代指标验证结果，确保对噪声和反演伪影的鲁棒性。
• 将分析限制在50米至500公里尺度之间，以避免高不确定性区域，确保通量估计的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在海洋中亚中尺度正向动能级联的直接观测证据？
• RQ2 动能通量是否表现出双重行为——即同时存在大尺度与小尺度能量传递——与理论和模拟预测一致？
• RQ3 动能传递的大小与方向如何随季节变化，特别是与表层强迫的关系如何？
• RQ4 基于结构函数的方法能否可靠地从稀疏、非网格化的漂流器数据中估计跨尺度能量通量，而无需规则的空间采样？
• RQ5 旋转（平衡）流与发散（非地转）流在观测到的能量级联中分别贡献了多少？

主要发现

• 本研究首次提供了海洋中双重动能级联的直接观测证据，能量在不同尺度间同时向大尺度和小尺度传递。
• 在小于1–10 km的尺度上观察到主导的正向级联，表明能量显著向耗散尺度传递。
• 动能注入发生在两个主导尺度，最大注入速率出现在约100–300 km尺度。
• 正向级联速率具有季节性调制，冬季月份能量注入与向小尺度传递更强。
• 速度场的发散（非地转）分量对正向级联有显著贡献，支持亚中尺度不稳定性在驱动向小尺度能量传递中的作用。
• 基于结构函数的方法成功恢复了具有物理解释意义的通量，且结果对替代指标与验证程序具有鲁棒性。