[论文解读] On constraining the mesoscale eddy energy dissipation time-scale

Julian Mak, Alexandros Avdis+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2022

Oceanographic and Atmospheric Processes被引用 5

一句话总结

本文提出一种计算高效的反演方法，利用高分辨率模拟数据和优化技术，约束海洋中空间可变的中尺度涡旋能量耗散 timescale。结果表明，南极洋、西边界流及西边界区域的耗散 timescale 最短，表明这些区域是地转中尺度能量耗散的关键区域。

ABSTRACT

A physically plausible lower bound on the spatially varying geostrophic mesoscale eddy energy dissipation time-scale within the ocean, related to the geographical energy transfer rate out of the geostrophic mesoscales, is provided by means of a simple and computational inexpensive inverse calculation. Data diagnosed from a high resolution global configuration ocean simulation is supplied to a parameterized model of the geostrophic mesoscale eddy energy, from which the dissipation time-scale results as a solution to an optimization calculation. We find that the dissipation time-scale is shortest in the Southern Ocean, in the Western Boundary Currents, and on the western boundaries, consistent with the expectation that these regions are notable sites of baroclinic activity with processes leading to energy transfer out of the geostrophic mesoscales. Although our solution should be interpreted as a lower bound given the assumptions going into the calculation, it serves as an important physically consistent base line reference for further investigations into ocean energetics, as well as for an intended inference calculation that is more complete but also much more complex.

研究动机与目标

• 提供一种物理解释一致、计算成本低廉的空间可变地转中尺度涡旋能量耗散 timescale 的下限估计。
• 通过建立基准参考，为未来海洋能量学研究和更复杂的推断计算提供指导。
• 解决中尺度涡旋能量耗散 timescale 缺乏强约束的问题，该参数是亚网格参数化中的关键参数。
• 通过提供能量学受约束的中尺度涡旋过程参数化信息，支持改进海洋模型性能。
• 为当前正在开发的更复杂、动力学受约束的推断框架提供先验信息。

提出的方法

• 使用高分辨率全球海洋模拟（NEMO ORCA0083-N01）诊断涡旋能量与层结数据。
• 应用包含时间依赖耗散项的地转中尺度涡旋能量演化参数化模型。
• 通过优化执行反演计算，推断出能最佳再现观测涡旋能量特征的空间可变耗散 timescale。
• 在变分框架中将耗散 timescale 视为控制变量，最小化模型与目标涡旋能量之间的不匹配。
• 采用 Firedrake 有限元框架，结合 tlm_adjoint 实现伴随优化，并使用 Qmesh 进行网格生成。
• 由于模型假设，特别是预设的层结，将解视为下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全球海洋中，中尺度涡旋能量耗散 timescale 最短的区域在哪里，表明地转中尺度能量向外耗散最强？
• RQ2 计算高效的反演方法能否为空间可变的涡旋能量耗散 timescale 提供物理解释一致的下限？
• RQ3 推断出的 timescale 与已知的斜压不稳定性区域和涡旋活跃区域的预期是否一致？
• RQ4 基于先前的预报模型敏感性分析，耗散 timescale 在多大程度上影响海洋大尺度环流与层结？
• RQ5 该结果在多大程度上可作为更复杂、动力学受约束的海洋能量学推断方法的可靠先验？

主要发现

• 中尺度涡旋能量耗散 timescale 在南极洋最短，与该区域作为斜压不稳定性与能量传递主要区域的角色一致。
• 西边界流与西边界海域也表现出最短的耗散 timescale，表明存在强烈的涡旋活动与能量损失。
• 由于模型假设，特别是预设的层结，推断出的 timescale 被解释为下限。
• 尽管是下限，该解仍为海洋能量学与未来推断研究提供了物理解释一致的基准。
• 在先前的预报模型实验中，该 timescale 展现出显著敏感性，微小变化即可对海洋环流与层结产生显著影响。
• 该方法实现了对中尺度涡旋参数化中关键参数的计算可行约束，支持提升模型性能。