Figur 1. 'The Starry Night' av Van Gogh och 'Perpetual Ocean' skapad av NASA:s Goddard Space Flight Center. Kredit:Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
En KAIST forskargrupp har rapporterat några unika egenskaper och drivkrafter bakom submesoscale geofysisk turbulens. Att använda stordataanalys av havsströmmar och klorofyllkoncentrationer observerade med kustradar och satelliter har gett bättre förståelse för oceaniska processer i rymd- och tidsskalor på O(1) kilometer och O(1) timme. Resultaten av detta arbete kommer att leda till förbättrad spårning av vattenburna material och prestanda i globala och regionala klimatförutsägelsemodeller.
Under 2012, United States National Aeronautics and Space Administration (NASA) släppte ett filmklipp som heter "Perpetual Oceans, " som visualiserade havscirkulation erhållen från satellithöjdmätare-härledda observationer av havsytans höjd under två och ett halvt år. När filmen släpptes för allmänheten, den fick stor uppmärksamhet eftersom cirkulationsmönstren var slående lika "The Starry Night" av Vincent van Gogh.
"Perpetual Oceans" är full av virvelflödesmönster som beskriver oceaniska turbulenta rörelser i mesoskala (en skala på 100 km eller större). Under tiden, Professor Sung Yong Kim från institutionen för maskinteknik och hans team fokuserade på studiet av oceanisk turbulens på submesoskala (rymd- och tidsskalor på 1 till 100 km och timmar).
Submesoskala processer är viktiga eftersom de bidrar till vertikal transport av oceaniska spårämnen, massa, bärighet, och näringsämnen och korrigera både blandskiktsstrukturen och övre havsskiktningen. Dessa processstudier har huvudsakligen baserats på numeriska simuleringar eftersom traditionella in situ havsmätningar kan begränsas i sin förmåga att lösa de detaljerade horisontella och vertikala strukturerna av dessa processer.
Figur 2. Ett schematiskt diagram över energikaskaderna i riktningar framåt och bakåt och den rumsliga skalan där energin injiceras. Kredit:Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Teamet genomförde stordataanalys på timobservationer av ettåriga havsströmkartor och femåriga kartor över klorofyllkoncentrationer, erhållna från fjärranalysinstrument såsom kustradar med hög frekvens (HFR) och geostationära havsfärgbilder (GOCI) för att undersöka de unika egenskaperna hos processer i oceanisk submesoskala.
Teamet analyserade lutningsförändringen av vågtalsenergispektra för observationerna i termer av säsong och provtagningsriktningar. Genom analysen, teamet bevisade att energikaskad (ett fenomen där storskalig energi överförs till småskalig energi eller vice versa under den turbulenta energitransiteringen) inträffar i den rumsliga skalan på 10 km i framåt- och inversriktningen. Detta drivs av baroklinisk instabilitet i motsats till den virveldrivna frontogenesen i mesoskala på O(100) km-skalan baserat på de observerade regionala submesoskala cirkulationerna.
Detta arbete kommer att bidra till parametriseringen av det fysiska fenomenet sub-mesoskala inom området global högupplöst modellering inom havsfysik och atmosfäriska samt klimatförändringar. Baserat på förståelsen av principen för sub-mesoskala ytcirkulation, praktiska tillämpningar kan härledas ytterligare för radioaktivitet, återvinning av oljeutsläpp, och spårning av marina föroreningar.
Figur 3. En ögonblicksbild av klorofyllkoncentrationskartan härledd från geostationära havsfärgbilder (GOCI) utanför Koreas östkust som presenterar flera exempel på submesoskala turbulenta flöden. Kredit:Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Dessutom, de data som användes i denna forskning var baserade på långtidsobservationer av sub-mesoskala ytströmmar och koncentrationer av klorofyll, vilket kan återspegla de submesoskala processer som aktivt genereras på den subpolära fronten utanför Sydkoreas östkust. Därav, denna studie kan potentiellt vara fördelaktig för integrerade big data-analyser med högupplösta kustradarhärledda ytströmmar och satellitbaserade produkter och motivera tvärvetenskaplig forskning mellan havsfysik och biologi.
Denna forskning publicerades som två följeslagare i Journal of Geophysical Research:Oceans den 6 augusti, 2018.
Figur 4. Energispektra för de HFR-härledda ytströmmarna och GOCI-härledda klorofyllkoncentrationerna och den tidsmässiga variabiliteten av spektrala sönderfallssluttningar i riktningarna över kusten och längs kusten. Kredit:Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
