[论文解读] On the significance of coherent Lagrangian eddies detected from satellite altimetry

M. J. Olascoaga, F. J. Beron‐Vera+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2017

Oceanographic and Atmospheric Processes被引用 2

一句话总结

本研究基于卫星高度计、海洋颜色和漂流浮标数据，提供了观测证据，表明通过卫星高度计探测到的墨西哥湾流环流涡旋在长时间尺度上保持拉格朗日相干性——即其物质边界持久存在，并能有效输送水体达数月之久。尽管数据同化模型能再现次中尺度扩散统计特征，却无法复现观测到的相干性，凸显了模型在模拟相干拉格朗日涡旋方面存在关键性局限。

ABSTRACT

Ocean flows are routinely inferred from low-resolution satellite altimetry measurements of sea surface height assuming a geostrophic balance. Recent nonlinear dynamical systems techniques have revealed that surface currents derived from altimetry can support mesoscale eddies with material boundaries that do not filament for many months, thereby representing effective transport mechanisms. However, the long-range Lagrangian coherence assessed for mesoscale eddy boundaries detected from altimetry is constrained by the impossibility of current altimeters to resolve ageostrophic submesoscale motions. These may act to prevent Lagrangian coherence from manifesting in the rigorous form described by the nonlinear dynamical systems theories. Here we use a combination of satellite ocean color and surface drifter trajectory data, rarely available simultaneously over an extended period of time, to provide observational evidence for the enduring Lagrangian coherence of a Loop Current ring detected from altimetry. We also seek indications of this behavior in the flow produced by a data-assimilative system which demonstrated ability to reproduce observed relative dispersion statistics down into the marginally submesoscale range. However, the simulated flow, total surface and subsurface or subsampled emulating altimetry, is not found to support the long-lasting Lagrangian coherence that characterizes the observed ring. This highlights the importance of the Lagrangian metrics produced by the nonlinear dynamical systems tools employed here in assessing model performance.

研究动机与目标

• 利用独立的观测数据，评估通过卫星高度计探测到的中尺度涡旋（墨西哥湾流环流涡旋）的拉格朗日相干性。
• 探究非地转次中尺度运动在多大程度上会破坏非线性动力系统理论所预测的涡旋边界长期相干性。
• 评估数据同化海洋模型在准确模拟次中尺度相对扩散统计的同时，是否也能复现观测到的拉格朗日相干性。
• 展示基于动力系统理论的拉格朗日度量在诊断模型在海洋涡旋表征方面缺陷方面的价值。

提出的方法

• 利用长时间序列的卫星海洋颜色数据和同步获取的表面漂流浮标轨迹，追踪墨西哥湾流环流涡旋周围水体的输送。
• 应用非线性动力系统技术，从高度计反演的表层速度场中识别出相干拉格朗日涡旋，重点关注抵抗形变的物质边界。
• 将观测到的拉格朗日相干性与能够分辨边缘次中尺度运动的数据同化海洋模型的模拟结果进行比较。
• 利用与观测数据相同的动力系统框架推导出的拉格朗日相干性度量，评估模型性能。
• 通过下采样模型输出以模拟高度计的空间分辨率，检验分辨率是否足以解释模型与观测之间的差异。
• 量化模型中的相对扩散统计，以验证其在即使无法捕捉相干性的情况下，仍能准确再现次中尺度动力学的能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过卫星高度计探测到的中尺度涡旋在真实海洋条件下是否表现出长期拉格朗日相干性？
• RQ2 非地转次中尺度运动在多大程度上会阻碍观测到的涡旋边界中拉格朗日相干性的显现？
• RQ3 能够复现观测相对扩散统计的同化数据海洋模型，是否也能复现相干涡旋的长期拉格朗日相干性？
• RQ4 基于动力系统理论推导出的拉格朗日度量，如何揭示标准验证度量无法察觉的模型缺陷？

主要发现

• 海洋颜色和表面漂流浮标观测数据证实，墨西哥湾流环流涡旋在数月内保持强烈的拉格朗日相干性，其物质边界能有效抵抗形变。
• 数据同化模型准确再现了边缘次中尺度范围内的相对扩散统计，表明其捕捉到了小尺度流变异性。
• 尽管扩散统计准确，该模型仍无法在涡旋边界维持长期拉格朗日相干性，表明其在模拟相干输送方面存在根本性缺陷。
• 即使将模型输出下采样以模拟高度计分辨率，模型与观测之间的差异依然存在，表明问题并非源于分辨率，而是动力学机制。
• 本研究证明，拉格朗日相干性度量对于评估模型性能至关重要，因其能揭示标准统计验证无法察觉的缺陷。
• 研究结果强调了相干拉格朗日涡旋作为有效输运机制在海洋中的重要性，即使基于高度计的地转假设不足以解释其持久性。