从内重力波到中尺度涡海面高度变化的频谱外文翻译资料

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从内重力波到中尺度涡海面高度变化的频谱

Anna C.Savage

摘要:混合坐标海洋模式（HYCOM）的高水平分辨率（1/12.5°和1/25）41层全球模拟在大气场和天文潮汐潜势强迫下用来构建全球海面高度（SSH）变化图。 HYCOM的输出分为立体和非立体的，分为潮下带，全日潮，半日潮和大潮频率带。 SSH模型的输出结果与两组数据进行了比较，这两组数据集提供了一些地理覆盖范围，并覆盖了大量的频率——其中一组由351个潮汐测量仪组成，用来测量完整的SSH，一组由14个固定的垂直剖面仪组成，从中可以计算空间SSH 。三幅全球地图对即将到来的SWOT卫星二维大范围高程测量任务的计划有帮助：（1）整体的潮汐信号和（2）不稳定的内潮信号（后者是在去除稳定的内潮信号通过谐波分析计算出的）图中，在半日潮带分别存在着1.05和0.43cm 2的平均误差，以及（3）内重力波连续区控制的大潮空间贡献图,平均方差为0.15cm 2。稳定的内潮（这是可预测的），不稳定的内潮（很难预测）以及无潮汐的内重力波（很难预测）可能都是高频“噪音”的重要来源，可以掩盖SWOT任务所做的SSH测量中的较低频率现象。

1. 绪论

海面高度（SSH）是海洋内部和海面许多过程的复杂表现，因此很难在广泛的空间和时间尺度上观察和模拟。卫星测高计和潮汐计这两种仪器主要用于观察SSH。提供近乎全球覆盖的卫星测高是研究全球海洋的宝贵工具[Fu and Cazenave，2001]。然而，高度运动的长时间重复（从几天到几个月不等）也是高频运动。对于海洋学家来说，潮汐测量仪是另一个宝贵的工具，它受到了其它问题的困扰。虽然大多数测潮仪每小时记录一次测量结果，但由于许多测潮仪在大陆沿岸位置，潮汐测量仪提供的空间覆盖范围有限，特别是在深海中。许多研究都使用潮汐计与高度计数据相结合。例如，Wunsch [1991]使用这两类数据来检验全球海平面变化，Ray和Mitchum [1997]使用潮汐和高度测量来检测内潮。在这里，我们补充了关于海平面测量和测潮仪中SSH方差的文献，并在HYCOM坐标海洋模型（HYCOM）[Chassignet等，2009]的两个新的全球模拟中考察了SSH的输出。潮汐和大气领域都迫使新的HYCOM模拟[Arbic等人，2010,2012; Shriver等，2014; Ansong等，2015; Buijsman等，2016; Ngodock等，2016]，因此有可能真实地从数小时到数年的全球范围内模拟SSH方差。HYCOM作为一个混合坐标模型也有可能精确模拟沿海和远洋海平面变化。为了定性验证沿海和远洋地区的模型精度，我们将模型输出与潮位计和现场进行了比较深度剖析观测。

在这项研究中，我们关注SSH频谱密度，这些密度是通过潮汐计和高度计数据在多项研究中计算出来的[Pattiaratchi and Wijeratne，2009; Wunsch和Stammer，1995; Ray，1998; Colosi和Munk，2006; Wunsch，2010]。我们将HYCOM SSH输出分成空间和非空间组分，其中由于斜压运动（例如锋面、漩涡、热膨胀和包括内潮的内部重力波）而产生的空间SSH以及非空间的SSH源于水体的质量变化（例如正压潮、压力和风力强迫正压变异性）[Baker-Yeboah等，2009]。我们比较了HYCOM和全球数据库中351个测潮仪的SSH频谱密度以及HYCOM和14个原位深度剖析仪器的空间SSH频谱密度。可以通过任何原位仪器来计算空间SSH，原位仪器测量水柱占了相当大部分，特别是上层海洋的温度和盐度。后一种方法包括从ARGO漂浮物[Roemmich和Owens，2000]计算的立体SSH和由系泊仪器[Zantopp和Leaman，1984]制成的空间SSH计算。此处使用的少量现场深剖测仪器具有高频采样及高垂直分辨率的特点，从而实现了空间SSH在潮汐和超宽带上的模型 - 数据比较。我们在这里使用的潮汐测量仪和原位垂直剖面数据集是我们所知道的唯一观测数据集，它们在覆盖地球的同时提供了广泛的（准全球的，对潮汐计量器而言）地理覆盖范围频率范围。出于这个原因，我们将我们的模型与潮汐计和现场垂直剖面数据集进行比较，同时充分认识到这两个数据集的不同。351个潮汐测量仪在主要为大陆沿海的位置测量完整的SSH，而原位垂直剖面仪测量盐度和温度，我们可以在14个远洋位置计算出空间SSH。

我们将频谱密度集成在与特定物理过程相关的四个频段上。将建模的光谱密度划分为立体和非立体组分也有助于研究SSH物理过程的可变性。例如，中尺度涡旋和西方边界流主导了潮下的空间SSH变化[Le Traon和Morrow，2001]。大气压力负荷和风对非典型的SSH变化贡献很大，这些变化在很宽的频率范围内，从超大到每年和更长[Ponte and Gaspar，1999; Shriver and Hurlburt，2000; Stammer等，2000; Tierney等，2000; Carre`re andLyard，2003; Fu和Cazenave，2001]。昼夜和半日潮正压潮对非空间SSH有重要贡献[LeProvost，2001]，昼夜和半日潮内潮对空间SSH变化贡献很大[Ray和Mitchum，1997; Ray和Zaron，2016; Shriver等，2012]。最后，内部重力波连续谱对空间超级潮汐SSH变化[Glazman和Cheng，1999]有贡献。

这项研究的一个主要重点是固定内潮，非平稳内潮和内重力波（IGW）连续体引起的空间SSH变率。卫星高度计对内潮和IGW连续体的SSH特征的作用日益增加，特别是因为内潮和IGW在高波数上有显着差异[Richman等，2012; Callies和法拉利，2013; Rocha等，2016]。这些高波数的目标是通过计划的二维测高计任务进行研究[Fu et al。，2012]。以前的几项研究已经开发了固定内潮的经验地图[Dushaw et al。，2011; Ray和Zaron，2016;赵等人，2016]。因为不稳定内潮和IGW连续体的稳定性不如固定内潮可预测，它们可能对测高社区构成更大的挑战。我们通过制作非平稳内潮和固定内潮地理变化的全球地图以及IGW连续体来理解这一挑战。内潮和海浪也是海洋学界感兴趣的，因为与内部波浪破裂有关的混合可能对海洋经向翻转环流产生影响[Munk和Wunsch，1998;法拉利和Wunsch，2009]。

在我们进行对超级大潮空间SSH的研究时，我们在Muuml;ller等人的工作基础上进行研究。 [2015]，结果显示，大气场和潮汐迫使高分辨率模拟开始发展为IGW连续体。图1包含了Muuml;ller等人的结果。 [2015]。在Muuml;ller等人[2015年]研究中，将两个较早的HYCOM模拟与北太平洋的一系列系泊进行比较。图1a和1b显示了从1/12.5°和1/25° HYCOM模拟以及系泊计算得到的表面动能的频谱密度，对内波的Garrett-Munk频谱斜率进行模拟[Garrett and Munk，1975]。系泊最接近理论坡度。 1/12.5°HYCOM模拟的频谱密度在高频下比在1/25° HYCOM模拟降低得快，因此在两个位置以更高的频率匹配观测到的光谱密度要好得多。图1c显示了动能频率 - 水平波数从北太平洋的一个箱子计算出的谱密度1/25° HYCOM。白色曲线代表内部重力波的线性色散关系曲线，根据Sturm-Liouville方程计算北太平洋北部和北部大部分纬度的垂直模式，以限制模态峰值，显示前三个垂直模式。在惯性和半日波带有峰值，沿IGW的线性色散关系曲线有显着的能量，后者符合IGW频谱正在发展的观点。最后，图1d显示了从1 / 25°HYCOM的频率 - 水平波数空间中的非线性动能转移。以蓝色显示的负值表示非线性传输消除能量的位置，正值以红色显示，表示非线性将能量注入系统的位置。从图1d可以清楚地看到，能量正在从惯性和潮汐频率（用白色椭圆表示）中去除，并且沿着内波的线性色散曲线，特别是第一模式色散曲线（用黑色椭圆表示）以超常频率增加。总之，图1表明，具有潮汐和大气强迫的高分辨率全球海洋模式，例如这里研究的HYCOM模拟，正在开始解决IGW连续体。

在描述了我们的HYCOM模拟、观测资料和方法论之后，我们比较了HYCOM中的完整SSH与潮位计和HYCOM中的空间SSH与原位深度剖析仪器的频谱能量密度。然后，我们创建空间和非空间SSH的全球地图方差，整合到不同的频段，在1/12.5°和1/25° HYCOM中IGW连续谱的比较观察，并比较1/12.5°和1/25°HYCOM，告诉我们是否已经达到了数值收敛，或者这里显示的连续体是否代表下限。方差整合在四个波段：潮下，潮汐波段（昼夜和半日波）和超大波段。超大型空间SSH被假定为由IGW连续体控制。受非平稳潮汐的驱动，在潮汐的固定部分被去除之前和之后计算昼夜和半日潮SSH频谱密度的积分。非平稳内部潮汐和IGW连续谱SSH方差的全球地图对于即将到来的地表水和海洋地形（SWOT）卫星高度计任务[Fu et al。，2012]具有重要意义，它将在二维条带中测量SSH，史无前例的全球覆盖。在这项研究中，我们发现HYCOM与所有频率的数据相当匹配，并将利用其全球覆盖范围来检查和映射各种频段的SSH贡献。

2. HYCOM模拟，观测和方法

2.1 HYCOM模拟

在这项研究中使用的HYCOM模拟受到三个最大半日成分（M 2， S 2和N 2）和两个最大日成分（K 1和O 1）的天文潮汐潜势[Cartwright，1999]的影响。模拟采用Jayne和St. Laurent [2001]提供的地形波拖曳场，并将其与高度计约束潮汐模型TPXO的正压潮汐误差最小化[Egbert et al。，1994]。该调整在Buijsman等人中进行了描述。 [2015]。 Ansong等人描述了波阻力对阻尼正压和斜压潮的影响。 [2015] Buijsman等人描述了波浪阻力对模式正压和斜压潮汐能量预算的影响。 [2016]。 HYCOM模拟在垂直方向上有41层，1/12.5°水平分辨率（~8km）在第一次模拟中，以及1/25°水平分辨率（~4km）在第二次模拟中。在本文中，我们将分别将这些仿真称为HYCOM12和HYCOM25。对HYCOM12执行波浪拖曳调谐，但是由于这种模拟的高计算成本，HYCOM25没有重做。因此，HYCOM25模拟中的波阻在某些方面可能不是最优的。美国海军全球环境模型NAVGEM [Hogan et al，2014]采用大气压力，风力和浮力。 NAVGEM在37公里的网格上运行，并插入到0.5°应用网格用于强制HYCOM模拟。 HYCOM12被NAVGEM每小时强制一次，而HYCOM25每三小时强制一次。在两个HYCOM模拟中，增强态集成卡尔曼滤波器被用来减少全球M 2正压潮汐误差[Ngodock et al，2016]，平均水深超过1000米到约2.6厘米，而高度计约束模型TPXO [Egbert et al，1994]。关于HYCOM的一般细节可以在Chassignet et al[2009]和Metzger等[2010]中看到。我们使用每小时HYCOM SSH输出保存超过1年。 HYCOM输出的1年持续时间取决于与这种高分辨率海洋模型相关的非常大的计算和存储成本。 HYCOM12输出保存2011年11月至2012年10月期间，HYCOM25从2014年1月至2014年12月保存。HYCOM推出的空间SSH计算方法如附录A所述。非空间SSH计算和空间SSH之间有差异。我们发现在HYCOM中计算空间SSH的方法产生的光谱密度基本上与由等式（1）给出的以更传统方式计算的空间高度计算的光谱密度相同。 HYCOM输出的空间和非空间SSH用于构建SSH的全球地图不同频段的差异。

2.2 潮汐计数据

潮汐计数据来自夏威夷大学海平面中心（UHSLC）潮汐计数据库[Caldwell et al，2011]。我们使用每小时潮汐计数据来匹配每小时HYCOM输出。对于每个潮汐计，从UHSLC数据库中提取1年的连续数据。用于与潮位计比较的HYCOM输出值取决于与潮位计位置相对应的最近邻模型网格点。 1年的时间期限取决于UHSLC数据库中可用的潮汐计记录的持续时间以及可用的HYCOM输出的持续时间。在UHSLC数据库中近1000个潮汐计中，351个潮汐计位置符合我们持续1小时连续输出的标准。图2a给出了351个位置的地图。如图2a所示，潮位计位置存在明显的大陆沿岸偏差。图2b显示了潮汐计数据所涵盖年份的直方图。使用的潮汐测量仪大多数涵盖了21世纪的年份。

2.3现场深度剖析数据

我们在14个地点使用现场仪器深度剖面数据，在这些地点高频和高垂直分辨率的温度和盐度数据可用于计算潮汐和超大波段中空间海面高度的频谱密度。因为高频空间SSH变率被认为是只能在深水中内部重力波连续谱，所以这种比较只适用超过1000m水体的系泊。图3a给出了14个原位剖面仪位置图，图3b显示了每个仪器的深度，图3c显示了每个剖面仪的时间序列长度。在图3b和3c中的位置13和14，我们有来自地面系泊的数据[Farrar等，2015;韦勒和安德森，1996年]。由于表面系泊中的垂直分辨率高于盐度，因此将盐度内插到温度测量深度。由于这些测量深度没有均匀分离，所以在立体海面高度计算中使用梯形积分技术，采样间隔约为1小时，并且随仪器而变化。这两个地面系泊的记录持续时间约为75和130天。在另外12个位置（图3b和3c中的位置1-12），使用McLane分析仪[Doherty等，1999]。温度和盐度数据被巧妙地采样并被映射到2db间隔。采样周期也大约为1小时，因仪器而异。 McLane分析器的记录时间从8天到2个月不等，如图3c所示。由于地面系泊和McLane剖面仪的时间采样不均匀，两组数据都要及时内插至1小时的采样间隔，以便计算频谱能量密度。

根据标准定义[Knauss，1997]给出了原位剖面数据的时间序列，

（1）

其中S

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