DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2023.1084
تاريخ النشر: 2024-01-15
المؤلف: J. H. LaCasce وآخرون
الموضوع الرئيسي: العمليات المحيطية والجوية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في ديناميات الأعاصير المضادة الطويلة العمر، التي تتركز على السطح فوق الانخفاضات تحت الماء، والتي تتواجد مع دوران دوري واسع النطاق. يوسع المؤلفون نظرية باروتروبيك التي تقلل من الإنستروفية مع الحفاظ على الطاقة إلى نموذج سائل ذو طبقتين، مما يكشف عن تدفق دوري ثابت، مكثف في القاع، فوق الانخفاضات. تجد الدراسة أنه عندما يقترب مضاعف لاغرانج، $\lambda$، من الصفر، يصبح إجمالي الدوران المحتمل (PV) متجانسًا عبر الطبقتين. بالنسبة لـ $\lambda$ الإيجابي، يكون PV السطحي مضادًا للدوران ويصل إلى ذروته عند مستويات طاقة متوسطة. تؤكد المحاكاة العددية أن التدفق الدوري المكثف في القاع يظهر باستمرار، مع تطور الدوامات بشكل مستقل عبر الطبقات وعرض اندماجات غير متماثلة تتأثر بتدفق التضاريس.
تشير النتائج إلى أن دوران الدورة الهوائية المكثف في القاع المتوقع يتماشى مع الدراسات السابقة الباروتروبية والباروكينية، بينما لا تتوقع النظرية وجود إعصار سطحي فوق الانخفاض. هذا الإعصار أكبر في الانخفاضات المتماثلة ويرتبط بالتشكل غير المكتمل لشذوذ PV سلبي على مقياس التضاريس. تبرز الدراسة أن اندماجات الدوامات غير متماثلة، حيث يتم ضغط الأعاصير في العمق وتندمج الأعاصير المضادة على السطح، مما يؤدي إلى وجود إعصار مضاد منعزل فوق الانخفاض، خاصة عند الطاقات المتوسطة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن الأعاصير السطحية قد تنشأ من تعديلات مضطربة دقيقة بدلاً من تشكيلات ديناميكية كاملة.
مقدمة
تناقش المقدمة دوامة لوفوتن، وهي ميزة مضادة للدوران شبه دائمة ومكثفة على السطح تقع في حوض لوفوتن من البحار النوردية. على عكس الدوامات المحيطية العابرة النموذجية، استمرت هذه الدوامة لأكثر من خمسة عقود، كما يتضح من بيانات الأقمار الصناعية. يقع مركزها ضمن الـ 1000-1500 متر العليا من عمود الماء، مع نصف قطر يبلغ حوالي 20 كم، أكبر من نصف قطر التشوه المحلي. اقترحت النظريات الأولية أن الدوامة تشكلت من خلال الحمل الحراري في فصل الشتاء، لكن الدراسات اللاحقة أشارت إلى أنها تُحافظ من خلال الاندماجات مع دوامات مضادة مجاورة من المنحدر القاري، والتي تتماشى عموديًا مع الدوامة المركزية.
تسلط هذه القسم الضوء أيضًا على وجود أعاصير مضادة طويلة العمر في مناطق محيطية مختلفة، وغالبًا ما ترتبط بدوامات مشابهة من خارج أحواضها المعنية. من الجدير بالذكر أن سلوك هذه الدوامات يتحدى النظريات التقليدية للاضطراب ثنائي الأبعاد، التي تتنبأ بتدفق دوري فوق الانخفاضات. بدلاً من ذلك، تُظهر دوامة لوفوتن أن الأعاصير المضادة يمكن أن تتشكل في مثل هذه المناطق، ويعزى ذلك إلى انتشار الدوامة الذاتية والاستقرار فوق الميزات التضاريسية. تمهد المقدمة الطريق لاستكشاف المزيد من التدفقات المضطربة فوق الانخفاضات، باستخدام كل من النماذج المثالية ونماذج الدورة العامة المعقدة لاختبار التنبؤات النظرية.
مناقشة
في مناقشة الاضطراب ثنائي الأبعاد (2-D)، تبرز الورقة الفروق بين تدفقات الطاقة والإنستروفية، حيث يتم الحفاظ على الطاقة بينما تتبدد الإنستروفية على مقاييس أصغر. اقترح بريثيرتون & هايدفوجل (1976) أن الاضطراب ثنائي الأبعاد يتطور نحو حالة الحد الأدنى من الإنستروفية تحت قيود الحفاظ على الطاقة. يتم تقديم المعادلات الحاكمة لتدفق باروتروبي، شبه جيستروفي، مما يؤدي إلى كميات محفوظة مثل الإنستروفية المحتملة والطاقة الحركية. يؤدي تقليل دالة تتضمن هذه الكميات إلى حلول في حالة مستقرة تتميز بتدفق دوري فوق الانخفاضات وتدفق مضاد للدوران فوق الجبال البحرية، مع اعتماد شروط الاستقرار على مضاعف لاغرانج $\lambda$. تشير التحليلات إلى أن الحلول مع $\lambda > 0$ تتوافق مع حالات الحد الأدنى من الإنستروفية، بينما قد تظهر تلك مع $\lambda < 0$ تفردات. توسع الورقة المناقشة لتشمل ديناميات السوائل ذات الطبقتين، حيث تحكم تطورات الدوران المحتمل مبادئ مشابهة. تكشف النتائج أن هيكل التدفق يبقى متسقًا مع ديناميات الطبقة الواحدة، مع عرض دوران دوري مكثف في القاع وطبقة علوية سلبية. تُظهر المحاكاة أن وجود التضاريس يؤثر بشكل كبير على أنماط التدفق، حيث يتم ضغط الدوامات الدورية بشكل تفضيلي في الانخفاضات. تؤكد النتائج على أهمية تدرجات الدوران المحتمل في احتجاز الدوامات وتبرز الفروق في سلوك التدفق بين التضاريس المتماثلة وغير المتماثلة. بشكل عام، توفر الأبحاث رؤى حول التفاعلات المعقدة بين الاضطراب والتضاريس وطبقات السوائل، مما يساهم في فهم التدفقات الجيولوجية.
DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2023.1084
Publication Date: 2024-01-15
Author(s): J. H. LaCasce et al.
Primary Topic: Oceanographic and Atmospheric Processes
Overview
This research investigates the dynamics of long-lived, surface-intensified anticyclones over submarine depressions, which coexist with large-scale cyclonic circulation. The authors extend a barotropic theory that minimizes enstrophy while conserving energy to a two-layer fluid model, revealing a steady, bottom-intensified cyclonic flow over depressions. The study finds that when the Lagrange multiplier, $\lambda$, approaches zero, total potential vorticity (PV) becomes homogenized across both layers. For positive $\lambda$, the surface PV is anticyclonic and peaks at intermediate energy levels. Numerical simulations confirm that bottom-intensified cyclonic flow consistently emerges, with vortices evolving independently across layers and exhibiting asymmetric mergers influenced by topographic flow.
The findings indicate that the predicted bottom-intensified cyclonic circulation aligns with previous barotropic and baroclinic studies, while the presence of a surface anticyclone above the depression is not anticipated by the theory. This anticyclone is larger in symmetric depressions and is linked to the incomplete formation of a topographic-scale negative PV anomaly. The study highlights that vortex mergers are asymmetric, with cyclones being strained out at depth and anticyclones merging at the surface, leading to a solitary anticyclone above the depression, particularly at intermediate energies. Overall, the results suggest that surface anticyclones may arise from subtle turbulent adjustments rather than complete dynamical formations.
Introduction
The introduction discusses the Lofoten vortex, a quasi-permanent, surface-intensified anticyclonic feature located in the Lofoten Basin of the Nordic Seas. Unlike typical transient oceanic vortices, this vortex has persisted for over five decades, as evidenced by satellite data. Its core resides within the upper 1000-1500 meters of the water column, with a radius of approximately 20 km, larger than the local deformation radius. Initial theories suggested that the vortex formed through wintertime convection, but later studies indicated that it is maintained by mergers with adjacent anticyclonic vortices from the continental slope, which align vertically with the central vortex.
The section also highlights the presence of long-lived anticyclones in various oceanic regions, often linked to similar vortices from outside their respective basins. Notably, the behavior of these vortices challenges traditional theories of two-dimensional turbulence, which predict cyclonic flow over depressions. Instead, the Lofoten vortex demonstrates that anticyclones can form in such areas, attributed to vortex self-propagation and stability over topographic features. The introduction sets the stage for further exploration of turbulent flows over depressions, employing both idealized models and complex general circulation models to test theoretical predictions.
Discussion
In the discussion of two-dimensional (2-D) turbulence, the paper highlights the distinct energy and enstrophy cascades, where energy is conserved while enstrophy dissipates at smaller scales. Bretherton & Haidvogel (1976) proposed that 2-D turbulence evolves towards a state of minimum enstrophy under energy conservation constraints. The governing equations for barotropic, quasi-geostrophic flow are presented, leading to conserved quantities such as potential enstrophy and kinetic energy. The minimization of a functional incorporating these quantities yields steady-state solutions characterized by cyclonic flow over depressions and anticyclonic flow over seamounts, with stability conditions dependent on the Lagrange multiplier $\lambda$. The analysis indicates that solutions with $\lambda > 0$ correspond to minimum enstrophy states, while those with $\lambda < 0$ may exhibit singularities. The paper further extends the discussion to two-layer fluid dynamics, where the evolution of potential vorticities is governed by similar principles. The results reveal that the flow structure remains consistent with single-layer dynamics, exhibiting bottom-intensified cyclonic circulation and a passive upper layer. Simulations demonstrate that the presence of topography significantly influences the flow patterns, with cyclonic vortices being preferentially strained out in depressions. The findings underscore the importance of potential vorticity gradients in trapping vortices and highlight the differences in flow behavior between symmetric and asymmetric topographies. Overall, the research provides insights into the complex interactions of turbulence, topography, and fluid layers, contributing to the understanding of geophysical flows.