Rekonstruksi Kuasi Geostropik Permukaan Kecepatan Vertikal dan Fluks Panas Vertikal di Samudra Selatan: Perspektif untuk SWOT

 Abstrak

Arus mesoskala mencakup 80% energi kinetik lautan, sedangkan arus submesoskala menangkap 50% varians kecepatan vertikal. Pengamatan tinggi permukaan laut (SSH) pertama SWOT memiliki resolusi spasial satu orde besaran lebih besar daripada altimeter yang tampak nadir tradisional dan menangkap fitur mesoskala dan submesoskala. Hal ini memungkinkan derivasi kecepatan vertikal submesoskala, yang penting untuk transportasi vertikal panas, karbon, dan nutrisi antara interior laut dan permukaan. Pekerjaan ini berfokus pada wilayah energik mesoskala di selatan Tasmania menggunakan simulasi samudra-atmosfer yang digabungkan pada resolusi skala km dan pengamatan SSH SWOT awal. Kecepatan vertikal ( w ), anomali suhu, dan fluks panas vertikal (VHF) dari permukaan hingga 1.000 m direkonstruksi menggunakan teori Quasi-Geostrophic (sQG) permukaan yang efektif. Metode independen untuk merekonstruksi anomali suhu, yang meniru produk grid operasional, juga dikembangkan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sQG merekonstruksi 90% dari model w dan VHF rms pada skala hingga 30 km tepat di bawah lapisan campuran dan 50%–70% dari rms untuk skala lebih besar dari 70 km pada kedalaman lebih besar, dengan korelasi spasial0.6. Rekonstruksi bersifat koheren secara spektraluntuk skala yang lebih besar dari 30–40 km di permukaan, sedikit terdegradasi (0,55) pada kedalaman. Dua set data anomali suhu menghasilkan hasil yang serupa, yang menunjukkan dominasi w pada VHF. RMS sQGdan VHF yang diperoleh dari SWOT dua kali lebih besar daripada yang diperoleh dari altimetri konvensional, menyoroti potensi SWOT untuk merekonstruksi dinamika meso dan submesoskala yang energetik di interior laut.

Poin-poin Utama

Kecepatan vertikal dapat direkonstruksi secara koheren di Samudra Selatan pada skala hingga 30–40 km

Fluks panas vertikal dapat diambil menggunakan rekonstruksi kuasi-geostropik permukaan yang efektif dan didominasi oleh kecepatan vertikal

Kecepatan vertikal yang direkonstruksi dari pengamatan SWOT memiliki varians 50% lebih banyak daripada yang diperoleh dari altimetri tradisional

Ringkasan Bahasa Sederhana

Pekerjaan ini berfokus pada dinamika samudra vertikal yang disebabkan oleh arus permukaan samudra skala kecil, terutama yang berada pada skala mesoskala dan submesoskala (diameter 20–100 km). Kecepatan vertikal samudra ini memompa panas dan karbon dari permukaan ke kedalaman dan membawa nutrisi yang penting bagi perkembangan biomassa. Motivasi kami adalah data pertama dari satelit baru SWOT (Surface Water and Ocean Topography), yang menyediakan pengamatan arus geostropik permukaan pada resolusi yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan satelit tradisional. Kami mempelajari area Samudra Selatan dekat Tasmania menggunakan simulasi samudra-atmosfer yang realistis pada resolusi skala km dan data SWOT awal dan merekonstruksi kecepatan vertikal, suhu, dan fluks panas menggunakan teori proyeksi vertikal. Hasil menunjukkan bahwa rekonstruksi vertikal secara koheren mewakili kecepatan vertikal samudra dan fluks panas di bawah lapisan campuran permukaan yang lebih besar dari 30–40 km dan bahwa skala yang lebih kecil tidak direkonstruksi dengan baik. Dalam perhitungan fluks panas vertikal, kami membandingkan dua cara berbeda untuk mengukur anomali suhu, dan menemukan bahwa, secara keseluruhan, perbedaannya tidak signifikan karena kecepatan vertikal mendominasi fluks panas. Studi ini menyoroti potensi SWOT untuk mempelajari dinamika laut skala kecil di permukaan dan direkonstruksi di kedalaman.

1 Pendahuluan

Mempelajari pertukaran vertikal samudra sangatlah penting karena samudra global bertanggung jawab untuk menyimpan hingga 93% ketidakseimbangan energi akibat pemanasan global (Rhein et al.,  2013 ), dan telah menyerap sekitar 30% dari total emisi karbon dioksida antropogenik sejak tahun 1980-an (Intergovernmental Panel On Climate Change (IPCC),  2022 ). Mengamati proses dinamis yang membawa panas dan karbon ini ke dalam interior samudra masih menjadi tantangan utama dalam oseanografi. Samudra juga sangat bergolak. Pusaran siklon dan antisiklon, struktur mesoskala yang ada di mana-mana dan sangat energik, berkontribusi pada energetika sirkulasi samudra, khususnya pada arus batas barat dan Arus Sirkumpolar Antartika (ACC). Pusaran mesoskala (50–300 km) memengaruhi pengadukan lateral dan struktur pelacak, yang mengatur distribusi panas, garam, karbon, nutrisi, dan biomassa di lautan (Franks et al.,  1986 ; Mahadevan & Archer,  2000 ; Martin et al.,  2002 ; Strass,  1992 ). Peran utama mereka sekarang juga diakui dalam mendorong transportasi panas vertikal ke atas global (Llort et al.,  2018 ; Rintoul,  2018 ). Griffies et al. ( 2015 ) menemukan bahwa representasi mesoskala dalam model iklim sebagian besar dapat memengaruhi transportasi panas lateral dan vertikal. Oleh karena itu, sangat penting untuk menyertakan representasi mesoskala lautan yang kaya dalam simulasi model atau menggunakan parameterisasi yang benar. Namun, model numerik tidak sepenuhnya setuju pada besarnya dampak pusaran pada distribusi pelacak vertikal (McGillicuddy et al.,  2007 ) dan pengamatan struktur dinamis 3D ini terbatas. Pengamatan in situ kecepatan vertikal jarang, sulit diukur dan memiliki cakupan terbatas dalam ruang dan waktu. Citra inframerah dan warna satelit menunjukkan struktur filamen horizontal submesoskala di antara pusaran, yang sangat berkontribusi pada pasokan nutrisi, menutup anggaran nutrisi (Lévy,  2024 ), tetapi pengamatannya terbatas pada permukaan laut dan dalam kondisi langit cerah. Kecepatan geostropik permukaan altimetri tradisional memiliki resolusi sekitar 150 km (Ballarotta et al.,  2019 ) dan dengan demikian tidak dapat menyelesaikan skala kecil dan sangat energik yang dominan di Samudra Selatan, di mana radius Rossby kecil.

Misi altimeter swath lebar Surface Water and Ocean Topography (SWOT) yang diluncurkan pada bulan Desember 2022 (Fu et al.,  2024 ; Morrow et al.,  2019 ) menghadirkan pengamatan 2D baru pada skala ini, yang mampu mengamati struktur samudra kecil sejauh 5–10 km dengan cakupan waktu dalam orde beberapa hari atau lebih baik di garis lintang tinggi. Data SWOT pertama menunjukkan bahwa tingkat kebisingan spektral bahkan lebih rendah dari persyaratan sains awal dengan satu orde besaran pada skala kecil, yang menunjukkan proses sirkulasi samudra pada skala hingga5 km (Fu et al.,  2024 ). Setelah penyuntingan dan pemrosesan yang cermat (Dibarboure et al.,  2023 ), hal ini memungkinkan estimasi yang lebih akurat mengenai elevasi permukaan laut, dan arus geostropik, vortisitas, dan regangan yang diperoleh. Ini adalah properti utama untuk merekonstruksi sirkulasi laut 3D dari pengamatan satelit permukaan 2D, yang telah lama menjadi tujuan dalam oseanografi.

Berbagai metodologi telah dikembangkan untuk memperluas pengamatan permukaan ke interior samudra dan memperkirakan kecepatan vertikal sebagai vektor untuk transportasi vertikal panas, karbon, dan nutrisi. Persamaan Omega klasik (Hoskins et al.,  1978 ) telah digunakan secara luas untuk mempelajari gerakan seimbang yang terkait dengan front (Allen et al.,  2001 ; Martin & Richards,  2001 ; Rudnick,  1996 ; Tintoré et al.,  1991 ), tetapi ketersediaan data resolusi tinggi dalam pusaran mesoskala tetap menjadi tantangan untuk penerapannya pada skala yang lebih besar. Untuk menjelaskan redistribusi energi melalui skala yang berbeda, teori interior-quasi-geostrophic (QG) dan permukaan-quasi-geostrophic (sQG) sering diterapkan. QG didasarkan pada perkiraan bilangan Rossby kecil (Charney,  1971 ; Rhines,  1979 ). Gerakan diasumsikan tidak dipengaruhi oleh kondisi batas vertikal dan anomali kerapatan permukaan diasumsikan nol (Klein & Lapeyre,  2009 ). McWilliams ( 1989 ) menemukan bahwa peningkatan resolusi dalam tiga dimensi tidak mengubah turbulensi QG secara signifikan. sQG, di sisi lain, mempertimbangkan gangguan kerapatan permukaan bukan nol, yang berjenjang ke skala kecil yang mengarah ke frontogenesis permukaan skala kecil (Lapeyre & Klein,  2006 ). Dalam kasus ini, vortisitas potensial (PV) diasumsikan seragam di bagian dalam domain. Keterbatasan utama sQG adalah bahwa ketika resolusinya tinggi, struktur skala kecil mungkin memiliki nilai vortisitas tinggi dalam urutan(parameter Coriolis). Struktur-struktur ini menyimpang dari sQG dan tunduk pada frontogenesis ageostrofik (Klein et al.,  2008 ). Lapeyre dan Klein ( 2006 ) mendefinisikan model sQG “efektif” berdasarkan asumsi yang sama, yang memungkinkan diagnosis dinamika 3D di lautan bagian atas baik dari tinggi permukaan laut (SSH) maupun daya apung permukaan. Karya ini mengeksplorasi solusi sQG “efektif” ini. Keuntungan dalam resolusi spasial dari pengamatan SWOT baru memotivasi minat baru dalam menggunakan sQG dengan data altimetri untuk menyimpulkan struktur dinamis 3D di wilayah Samudra Selatan yang energik (Qiu et al.,  2020 ; Su et al.,  2018 ; Wang et al.,  2013 ).

Tujuan utama dari pekerjaan ini adalah untuk menilai potensi metodologi sQG yang efektif untuk merekonstruksi kecepatan vertikal dan fluks panas vertikal dalam 1.000 m pertama kolom air di wilayah Polar Front yang energik dari ACC, hilir SouthEast Indian Ridge. Rekonstruksi vertikal sQG pertama kali dinilai terhadap medan penuh dari model laut yang realistis, sebelum diterapkan pada SWOT dan data permukaan altimetri konvensional. Wilayah ini dipilih karena memiliki medan mesoskala yang kuat yang beradaptasi dengan baik dengan formalisme sQG, dan kampanye lapangan intensif dilakukan pada bulan November dan Desember 2023, yang akan memberikan validasi in situ dari teknik rekonstruksi vertikal dalam studi berikutnya. Wilayah ini secara dinamis tidak homogen, dengan variasi massa air yang kuat di seluruh Polar front yang energik. Sementara memiliki batimetri dasar yang relatif datar, dinamika energik memiliki kontrol topografi yang kuat dari punggungan laut di hulu dan hilir (Gambar  1 ), dan kami akan mengeksplorasi kemampuan rekonstruksi sQG dalam rezim dinamis yang kompleks ini. Meskipun penelitian serupa telah menilai rekonstruksi sQG kecepatan vertikal di wilayah lain, fokus utama penelitian ini adalah rekonstruksi kecepatan vertikal dan fluks panas vertikal, hal baru yang sesungguhnya dari pekerjaan kami. Setelah kami menetapkan kekuatan dan keterbatasan rekonstruksi vertikal sQG di wilayah dinamis yang kompleks ini, kami menerapkannya pada medan arus geostropik permukaan 2D resolusi halus SWOT dan pada medan arus geostropik permukaan altimetri konvensional yang dipetakan. Kami menganalisis dua periode 5 hari pada bulan Maret dan Oktober yang diambil dari simulasi samudra-atmosfer yang realistis yang memiliki resolusi yang sama dengan SWOT untuk menilai dinamika yang direkonstruksi dalam dua musim yang kontras. Analisis ini tidak dimaksudkan untuk menjadi representasi kuantitatif penuh dari semua dinamika dan variabilitas musiman di wilayah tersebut, yang berada di luar cakupan pekerjaan ini. (Oleh Maulana Naufal)