[论文解读] Strong dissipation of steep swells observed across oceans

Fabrice Ardhuin, Bertrand Chapron+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2008

Oceanographic and Atmospheric Processes被引用 2

一句话总结

本研究利用四年卫星合成孔径雷达（SAR）数据追踪海洋涌浪传播并量化能量耗散，发现涌浪能量损失随陡度增加而加剧，e-折叠尺度从陡度较低时的30,000 km降至陡度较高时的2,700 km。结果表明，由气-水波面相对运动驱动的层流-湍流边界层转变存在临界雷诺数约100,000，为波浪预报和空气-海洋通量建模提供了关键约束。

ABSTRACT

Global observations of ocean swell propagation is presented and analyzed, using on four years of satellite Synthetic Aperture Radar data. Tracking swells along their propagation paths yields an estimation of the dissipation of their energy. Swells can be very persistent with energy e-folding scales exceeding 30,000 km. For increasing swell steepness, this scale shrinks down to 2700 km, revealing a significant loss of swell energy. This pattern is consistent with a laminar to turbulent transition of the boundary layer, induced by the opposite wave-induced motions of air and water, with a threshold Reynolds number of the order of 100,000. This finding opens the way for more accurate wave forecasting models, and provides a constraint on swellinduced air-sea fluxes of momentum and energy. 1.

研究动机与目标

• 利用卫星观测量化全球大洋盆地中涌浪能量的耗散。
• 研究涌浪陡度如何影响传播过程中的能量损失速率。
• 识别观测到的耗散现象背后的物理机制，特别是气-水边界层动力学的作用。
• 为改进波浪预报模型和空气-海洋动量与能量通量估算提供实证约束。

提出的方法

• 利用四年卫星合成孔径雷达（SAR）数据追踪大洋盆地中涌浪系统的传播。
• 沿涌浪传播路径追踪其演变，估算能量随距离的衰减。
• 以能量e-折叠尺度作为耗散速率的度量，较长的尺度表示衰减更缓慢。
• 将耗散速率与涌浪陡度相关联，以识别临界行为。
• 基于雷诺数标度（约100,000）推断气-水边界层从层流到湍流的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全球大洋中，涌浪能量耗散如何随涌浪陡度增加而变化？
• RQ2 何种物理机制可解释陡度增加时观测到的能量损失增加？
• RQ3 在波浪诱导运动下，气-水边界层从层流到湍流流动的转变发生在多大的雷诺数？
• RQ4 观测到的耗散速率如何提升波浪预报模型的精度？
• RQ5 这些观测对空气-海洋动量和能量通量设定了何种约束？

主要发现

• 低陡度涌浪的能量e-折叠尺度超过30,000 km，表明其具有高度持久性。
• 对于更陡的涌浪，e-折叠尺度降低至2,700 km，表明能量耗散显著增强。
• 观测到的耗散模式与气-水边界层的层流-湍流转变一致。
• 该转变发生在约100,000的雷诺数临界值，由气流与水流的相对波浪运动驱动。
• 这些发现为改进数值模型中波浪耗散参数化提供了物理基础。