[论文解读] Stokes drift should not be added to ocean general circulation model velocities

Gregory LeClaire Wagner, Navid C. Constantinou+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2022

Oceanographic and Atmospheric Processes被引用 4

一句话总结

本文主张，当 Stokes 漩涡显著时，海洋环流模型（OGCM）输出中不应再额外添加 Stokes 漩涡，因为不考虑波浪的模型本身已能模拟拉格朗日平均速度——即真实的总输运速度。作者否定了长期存在的‘欧拉平均假设’，转而提出‘拉格朗日平均假设’，并通过理论分析与模拟证明，OGCM 天然地捕捉了拉格朗日平均动力过程，无需额外校正。

ABSTRACT

Studies of ocean surface transport often invoke the "Eulerian-mean hypothesis": that wave-agnostic general circulation models neglecting explicit surface waves effects simulate the Eulerian-mean ocean velocity time-averaged over surface wave oscillations. Acceptance of the Eulerian-mean hypothesis motivates reconstructing the total, Lagrangian-mean surface velocity by adding Stokes drift to model output. Here, we show that the Eulerian-mean hypothesis is inconsistent, because wave-agnostic models cannot accurately simulate the Eulerian-mean velocity if Stokes drift is significant compared to the Eulerian-mean or Lagrangian-mean velocity. We conclude that Stokes drift should not be added to ocean general circulation model velocities. We additionally show the viability of the alternative "Lagrangian-mean hypothesis" using a theoretical argument and by comparing a wave-agnostic global ocean simulation with an explicitly wave-averaged simulation. We find that our wave-agnostic model accurately simulates the Lagrangian-mean velocity even though the Stokes drift is significant.

研究动机与目标

• 挑战广泛持有的假设，即不考虑波浪的海洋环流模型（OGCM）模拟的是欧拉平均速度。
• 证明当 Stokes 漩涡显著时，‘欧拉平均假设’——即认为 OGCM 产生欧拉平均速度并需额外添加 Stokes 漩涡以获得完整的拉格朗日平均输运速度——是不一致的。
• 提出并验证一种替代方案：‘拉格朗日平均假设’，即 OGCM 天然地模拟拉格朗日平均速度。
• 表明在典型 OGCM 分辨率下，解析的表层波浪效应可忽略，但波浪平均动量平衡对准确输运建模至关重要。
• 重新定义海洋模型中的基本动量平衡，将拉格朗日平均速度置于核心动力学量的位置，而非欧拉平均速度。

提出的方法

• 对波浪平均的 Craik-Leibovich 方程进行量纲分析，以评估在 Stokes 漩涡显著时欧拉平均假设的一致性。
• 将不考虑波浪的全球海洋模拟与显式波浪平均模拟进行对比，以评估前者是否能准确捕捉拉格朗日平均速度。
• 基于动量平衡和波浪平均方程的理论论证，表明拉格朗日平均速度是海洋动力学中的基本平均速度。
• 分析 OGCM 中参数化方案（如 K-Profile 和垂直动量通量）的作用，表明它们天然地以拉格朗日平均速度为表述基础。
• 评估在不同模型分辨率下解析的表层波浪效应的影响，特别是亚中尺度和中尺度水平。
• 利用 MOM6 和 WAVEWATCH III 模型代码生成模拟，并在不同海洋区域验证拉格朗日平均假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 当 Stokes 漩涡与平均流相比显著时，‘欧拉平均假设’——即不考虑波浪的 OGCM 模拟欧拉平均速度——是否成立？
• RQ2 不考虑波浪的海洋环流模型能否在强 Stokes 漩涡存在下准确模拟拉格朗日平均速度？
• RQ3 拉格朗日平均速度在海洋动量平衡中的基本动力角色是什么？它与欧拉平均速度有何不同？
• RQ4 OGCM 中的波浪平均动量方程与参数化方案如何与拉格朗日平均速度关联？为何这种表述更具物理一致性？
• RQ5 在何种空间与时间尺度上，解析的表层波浪效应对海洋环流建模变得重要？

主要发现

• 欧拉平均假设不一致，因为当 Stokes 漩涡与平均流相比显著时，不考虑波浪的模型无法准确模拟欧拉平均速度。
• 不考虑波浪的海洋环流模型即使在 Stokes 漩涡较大时也能准确模拟拉格朗日平均速度，支持‘拉格朗日平均假设’。
• 拉格朗日平均速度是海洋动力学中的基本平均速度，动量平衡方程应以该量为表述基础。
• 如 K-Profile 和垂直动量通量等参数化方案与拉格朗日平均框架一致，因为它们耗散与 $\boldsymbol{u}^\mathrm{L}$ 相关的平均动能。
• 在 $\nicefrac{1}{4}^\circ$ 分辨率下，解析的表层波浪效应可忽略，但在更细尺度下，当 $\left(\boldsymbol{\nabla}\times\boldsymbol{u}^\mathrm{S}\right)\times\boldsymbol{u}^\mathrm{L}$ 项不可忽略时，其影响变得显著。
• 因此，向 OGCM 输出或观测产品中添加 Stokes 漩涡的做法既不必要也不恰当，因为它会重复计算波浪引起的输运。