[论文解读] Spatio-temporal coarse-graining decomposition of the global ocean geostrophic kinetic energy

Michele Buzzicotti, Benjamin A. Storer+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Methane Hydrates and Related Phenomena被引用 7

一句话总结

本研究提出一种时空粗粒化方法，用于分解全球海洋地转动能在不同尺度上的分布，克服了传统傅里叶分析在非周期性海洋盆地和复杂边界下的局限性。结果表明，25–50%的总地转动能位于小于100公里的尺度上——这些尺度在SWOT卫星之前无法被解析——且高达70%的时间平均动能集中在静止的中尺度涡旋（<500公里）中，表现出显著的半球不对称性，并在约200公里和约2–3周处存在一致的峰值。

ABSTRACT

We expand on a recent determination of the first global energy spectrum of the ocean's surface geostrophic circulation (Storer et al., 2022) using a coarse-graining (CG) method. We compare spectra from CG to those from spherical harmonics by treating land in a manner consistent with the boundary conditions. While the two methods yield qualitatively consistent domain-averaged results, spherical harmonics spectra are too noisy at gyre-scales ($&gt;1000~$km). More importantly, spherical harmonics are inherently global and cannot provide local information connecting scales with currents geographically. CG shows that the extra-tropics mesoscales (100-500~km) have a root-mean-square (rms) velocity of $\sim15~$cm/s, which increases to $\sim30$-40~cm/s locally in the Gulf Stream and Kuroshio and to $\sim16$-28~cm/s in the ACC. There is notable hemispheric asymmetry in mesoscale energy-per-area, which is higher in the north due to continental boundaries. We estimate that $\approx25$-50\% of total geostrophic energy is at scales smaller than 100~km, and is un(der)-resolved by pre-SWOT satellite products. Spectra of the time-mean component show that most of its energy (up to $70\%$) resides in stationary mesoscales ($&lt;500~$km), highlighting the preponderance of `standing' small-scale structures in the global ocean. By coarse-graining in space and time, we compute the first spatio-temporal global spectrum of geostrophic circulation from AVISO and NEMO. These spectra show that every length-scale evolves over a wide range of time-scales with a consistent peak at $\approx200$ km and $\approx2$-3~weeks.

研究动机与目标

• 为克服傅里叶谱方法在分析全球海洋地转环流时因非周期性海洋盆地和复杂边界而产生的局限性。
• 提供一种尺度分辨的全球地转动能分解方法，能够同时捕捉空间结构与时间演变特征。
• 量化小于100公里尺度的能量占比，这些尺度在SWOT卫星之前的产品中无法被解析。
• 研究静止中尺度涡旋在时间平均环流中的作用及其对总动能的贡献。
• 通过用球面上的空间与时间粗粒化替代全局傅里叶变换，实现对海洋能量分布的局部、尺度特定的洞察。

提出的方法

• 采用球面粗粒化（CG）方法，对AVISO和NEMO数据集中的地转速度场应用类似卷积的滤波，以保持球面上的对称性。
• 通过滤波宽度参数定义空间粗粒化尺度，实现从100公里到行星尺度的动能分解。
• 通过时间域滤波将粗粒化扩展至时间维度，从而分离速度场的时间平均与时间变化分量。
• 使用FlowSieve并行计算框架，高效计算全时空域的谱。
• 应用地理掩膜和基于动能的掩膜（使用时间平均与时间变化的动能）来隔离高能活动区域，如墨西哥湾流、黑潮和南极绕极流。
• 通过球谐分析验证结果，表明平均谱具有一致性，但粗粒化方法在涡旋尺度上具有更优的局部分辨率和更低的噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 全球海洋地转动能中有多少位于小于100公里的尺度？与SWOT卫星之前的分辨率极限相比如何？
• RQ2 静止中尺度涡旋（即非时间变化的结构）在全局海洋时间平均动能中占多大比例？
• RQ3 动能在不同尺度上的时空演变特征如何？是否存在特定长度与时间尺度上的能量分布一致峰值？
• RQ4 在半球之间，能量分布有何差异，特别是与大陆边界效应的关系如何？
• RQ5 在球面上进行粗粒化是否能比传统的球谐分析更准确、更局部地实现海洋流的谱分解？

主要发现

• 约25–50%的总地转动能位于小于100公里的尺度，表明有相当大一部分能量在SWOT卫星之前无法被解析。
• 地转速度的时间平均分量中，高达70%的能量集中在尺度小于500公里的静止中尺度涡旋中，凸显了非时间变化的小尺度结构的主导作用。
• 中纬度中尺度（100–500公里）的均方根速度在全球范围内约为15厘米/秒，局部在墨西哥湾流和黑潮区域增至约30–40厘米/秒，在南极绕极流区域约为16–28厘米/秒。
• 中尺度能量/面积在半球之间存在显著不对称性，北半球值更高，这归因于大陆边界的影响力。
• 时空谱显示，在所有区域中，动能在约200公里的长度尺度和约2–3周的时间尺度上均存在一致的峰值。
• 与球谐分析相比，粗粒化方法产生的谱更平滑，地理定位更精确，后者在涡旋尺度（>1000公里）表现出过度噪声，尤其在海岸线复杂的区域。