[论文解读] Frequency dependence of near-surface oceanic kinetic energy from drifter observations and global high-resolution models

Brian K. Arbic, Shane Elipot+13 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2022

Oceanographic and Atmospheric Processes被引用 5

一句话总结

本研究利用漂流浮标观测数据和两个高分辨率全球海洋模型（HYCOM 和 MITgcm），比较了不同频率带（低频、近惯性、半日潮、半日潮）的近表层海洋湍流动能（KE）分布。研究发现，不同模型在不同频率带的表现存在差异：HYCOM 因采用更高频的大气强迫，更准确地再现了近惯性 KE；MITgcm 则因改进了参数化的地形拖拽，更准确地模拟了半日潮 KE。此外，两个模型均合理再现了 0 米与 15 米深度处 KE 的垂直结构代理指标。

ABSTRACT

The geographical variability, frequency content, and vertical structure of near-surface oceanic kinetic energy (KE) are important for air-sea interaction, marine ecosystems, operational oceanography, pollutant tracking, and interpreting remotely sensed velocity measurements. Here, KE in high-resolution global simulations (HYbrid Coordinate Ocean Model; HYCOM, and Massachusetts Institute of Technology general circulation model; MITgcm), at the sea surface (0 m) and 15 m, are respectively compared with KE from undrogued and drogued surface drifters. Global maps and zonal averages are computed for low-frequency ($<$ 0.5 cpd), near-inertial, diurnal, and semi-diurnal bands. Both models exhibit low-frequency equatorial KE that is low relative to drifter values. HYCOM near-inertial KE is higher than in MITgcm, and closer to drifter values, probably due to more frequently updated atmospheric forcing. HYCOM semi-diurnal KE is lower than in MITgcm, and closer to drifter values, likely due to inclusion of a parameterized topographic internal wave drag. A concurrent tidal harmonic analysis in the diurnal band demonstrates that much of the diurnal flow is non-tidal. We compute a simple proxy of near-surface vertical structure, the ratio of 0 m KE to 0 m KE plus 15 m KE in model outputs, and undrogued KE to undrogued KE plus drogued KE in drifter observations. Over most latitudes and frequency bands, model ratios track the drifter ratios to within error bars. Values of this ratio demonstrate significant vertical structure in all frequency bands except the semidiurnal band. Latitudinal dependence in the ratio is greatest in diurnal and low-frequency bands.

研究动机与目标

• 利用观测数据和模型数据，评估近表层海洋湍流动能（KE）在地理分布和频率依赖性方面的特征。
• 评估高分辨率全球海洋模型（HYCOM 和 MITgcm）在多个频率带中对 KE 的模拟性能，与漂流浮标观测结果进行对比。
• 探究模型中 KE 对大气强迫频率和参数化阻尼的敏感性，特别是在近惯性与半日潮频带中的表现。
• 通过代理比值（0 米处 KE / (0 米处 KE + 15 米处 KE)）量化近表层 KE 的垂直结构，并在模型与漂流浮标之间进行比较。
• 识别模型与观测之间的差异，以推动未来对上层海洋动力过程和垂直结构表示的改进。

提出的方法

• 对漂流浮标轨迹（无伞和有伞）进行谱分析，以分离出低频（<0.5 cpd）、近惯性、日潮和半日潮频带的 KE。
• 采用基于小波的复包络解调方法（通过 jLab 的 inertialextract 函数实现），提取近惯性速度分量，利用解析信号特性实现精确的频率滤波。
• 从 HYCOM 和 MITgcm 模拟中计算 0 米和 15 米深度处的 KE，使用包含潮汐和大气强迫的高分辨率输出结果。
• 计算垂直结构代理比值：0 米处 KE 除以 0 米处 KE 与 15 米处 KE 之和，适用于模型和漂流浮标数据。
• 在日潮频带内进行潮汐调和分析，以区分潮汐与非潮汐过程对日潮流的贡献。
• 使用全球地图和纬向平均值，比较模型与漂流浮标在不同纬度和频率带下的结果，评估其在误差条范围内的吻合程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 HYCOM 和 MITgcm 相较于漂流浮标观测，如何模拟近表层湍流动能的地理分布与频率依赖性？
• RQ2 为何 HYCOM 和 MITgcm 在近惯性与半日潮 KE 频带中与漂流浮标观测的吻合程度不同？
• RQ3 模型模拟的 KE 垂直结构（通过 0 米 / (0 米 + 15 米) KE 比值表示）在多大程度上与无伞和有伞漂流浮标观测结果一致？
• RQ4 大气强迫频率和参数化地形拖拽在近惯性和半日潮 KE 模型偏差中分别起到何种作用？
• RQ5 观测到的日潮 KE 中有多少比例可归因于非潮汐过程？这对模型与观测的比较有何影响？

主要发现

• HYCOM 生成的近惯性 KE 比 MITgcm 更接近漂流浮标观测结果，这可能是由于其采用更频繁更新的大气强迫所致。
• MITgcm 的半日潮 KE 高于 HYCOM，但两者均不如漂流浮标观测准确；HYCOM 的更优表现可能归因于其包含了参数化的地形内波拖拽。
• 潮汐调和分析表明，日潮频带内 KE 的显著部分为非潮汐成分，表明非潮汐过程贡献显著。
• 0 米处 KE 与 (0 米处 KE + 15 米处 KE) 之比这一代理比值，在大多数纬度和频率带中，两个模型均能良好再现，且与观测误差条范围一致。
• 在低频和日潮频带中，KE 的垂直结构显著，而在半日潮频带中则微弱，这由代理比值可反映。
• 在日潮和低频频带中，垂直结构代理比值表现出显著的纬向依赖性，反映出更强的层结和混合层动力学特征。