Impacts of Mesoscale Circulation on the Downward Propagating Near-Inertial Waves: Observations in the Kuroshio Extension = 하향 전파하는 근관성주기파에 미치는 중규모 순환 영향: 쿠로시오 확장역 관측

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Near-inertial waves (NIWs) play a major role in transferring energy from surface wind forcing to the ocean interior, contributing significantly to turbulent mixing and the maintenance of abyssal stratification. It is known that background mesoscale flows (BMFs) modify the local inertial frequency and affect the energy and vertical propagation speeds of near-inertial waves (NIWs), but their effects have not been quantified, especially using observation. This study aimed to quantify BMF effects on NIWs energy, group velocity, and the downward energy flux (Fz) of NIWs using two years of mooring data (November 2017–October 2019) from the Kuroshio Extension. By dividing the data into 11 day segments, the temporal variability of the effective near-inertial frequency and group velocity owing to the BMFs was considered. During winter, when NIWs are active—on a temporal average in anticyclonic flows—Fz increased by 50%, whereas in cyclonic flows, Fz decreased by 45% when the BMFs were considered. Because cyclonic circulations are twice as frequent, Fz decreased by ~17%, to 0.37 x 10-3 W m-2. Even so, this amount is ~1.8 times greater than that in the northeastern Pacific and accounts for ~28% of the wind work rate, similar to eddy-resolving high-resolution numerical model results. This high efficiency suggests that NIWs could play a more important role in deep mixing than previously considered. To overcome the spatiotemporal limitation of Fz estimation from our data, long-term eddy statistics were used to estimate overall Fz over the Kuroshio Extension. Anticyclonic circulations lasted longer, leading to a ~12% increase in Fz. Thus, the Kuroshio Extension is an important area for downward NIW energy propagation, and BMFs should be considered for accurate NIWs energetics.
Internal wave-induced turbulent mixing below 500 m is essential for sustaining deep stratification and meridional overturning circulation. Despite the notable Fw, the contribution of NIWs to deep-ocean mixing remains poorly understood. Our observations revealed several instances of strong downward propagation towards the deep ocean. At the beginning of January 2018, approximately 80% of the annual wind work entered the ocean, coinciding with the generation of strong NIWs within an anticyclonic eddy. These NIWs propagated downward to approximately 2000 m but did not reach the seafloor. Within the mixed layer, NIWs exhibited a large vertical wavelength (~1300 m) and slightly smaller frequencies than the local Coriolis frequency (ω≈0.97f). The horizontal propagation direction of this NIW aligned with the background velocity, so their intrinsic frequency (ω0) could exceed f (ω0≈0.97-1.03f). Using a ray-tracing model, the study simulated NIW propagation paths while accounting for their interactions with mesoscale flows. After February 3, subsurface mesoscale flow at 2000 m generated positive relative vorticity, which further contributed to the trapping of NIWs at this depth. This temporal variability in mesoscale flow conditions played a critical role in shaping the vertical extent of NIW energy propagation and its eventual confinement.
The findings of this study underscore the vital role of mesoscale flows in modulating the energetics and behavior of NIWs. By altering the effective inertial frequency, mesoscale circulations influence the vertical group velocity and energy flux of NIWs, enhancing their contribution to deep-ocean mixing. The observed trapping of NIWs at critical depths highlights the importance of mesoscale-induced modifications to the inertial frequency in determining the energy pathways of NIWs and their contribution to the maintenance of abyssal stratification.

국문 초록 (Abstract)

근관성주기파(near-inertial waves, NIWs)는 표층바람으로부터 해양 내부로 에너지를 전달함으로써, 난류 혼합과 심해성층 유지에 크게 기여한다. 중규모 흐름(background mesoscale flows, BMFs)은 국지적 관성 주파수를 변화시켜 근관성주기파의 에너지 및 수직 전파 속도에 영향을 주는 것으로 알려져 있으나, 관측 기반으로 그 영향을 정량화 한 사례는 많지 않다. 본 연구에서는 Kuroshio Extension 해역에서 2년간(2017년 11월~2019년 10월) 실시된 계류(mooring) 관측자료를 11일 간격으로 나누어 분석함으로써, BMFs가 근관성주기파의 에너지, 군속도(group velocity), 및 하향 에너지 플럭스(Fz)에 미치는 영향을 규명하였다. 겨울철 근관성주기파가 활발해지는 시기에, 시계방향(anticyclonic) 순환에서는 BMFs 고려 시 Fz가 50% 증가한 반면, 반시계방향(cyclonic) 순환에서는 45% 감소하였다. 그런데 반시계방향 순환이 시계방향 순환보다 약 두 배 빈도로 나타나, 전체적으로는 Fz가 약 17% 줄어든 0.37×10-3 W m-2를 보였다. 그럼에도 이는 북동태평양에서 보고된 값의 1.8배에 달하고, 표층 바람 일의 약 28%를 차지함으로써 고해상도 수치 모델 연구와 유사한 결과를 보인다. 이는 근관성주기파가 심층 혼합에서 예상보다 더 중요한 역할을 할 가능성을 시사한다. 추가로, 계류 관측만으로는 시공간적 제약이 있으므로 장기 에디(eddy) 통계를 적용해 Kuroshio Extension 전역의 Fz를 추정한 결과, 반사이클로닉 순환이 상대적으로 더 오래 지속됨에 따라 Fz가 약 12% 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 Kuroshio Extension 해역은 근관성주기파의 하향 에너지 전파가 두드러지는 중요한 구역이며, NIWs 에너지를 정확히 이해하고 모사하기 위해서는 중규모 흐름의 영향을 반드시 고려해야 함을 보여준다.
500 m 이하 영역에서 내부파가 유도하는 난류 혼합은 심해 성층 및 남북방향 순환을 유지하는 데 필수적이다. 표층 바람 일이 상당함에도, 근관성주기파가 심층 혼합에 얼마나 기여하는지는 명확히 드러나지 않았다. 그러나 본 연구 관측에서는 근관성주기파가 심층까지 강하게 하향 전파되는 사례가 여러 차례 포착되었다. 2018년 1월 초, 연중 바람 에너지의 약 80%가 해양에 전달되는 시점에 반시계방향 에디 내부에서 강한 NIWs가 생성되어 수심 약 2000 m까지 하향 전파되었지만, 해저까지는 도달하지 않았다. 혼합층 내 이 NIWs는 약 1300 m에 달하는 큰 수직 파장을 보였으며, 국지적 관성 주파수(f)보다 약간 낮은 주파수(ω≈0.97f)를 보였다. 그러나 수평 전파 방향은 배경 흐름과 평행하여 고유 주파수(ω₀)가 f를 초과할 수도 있었다(ω₀≈0.97-1.03f). 레이 추적(ray-tracing) 모델을 이용해 중규모 흐름과 상호작용하는 NIWs 전파 경로를 모의한 결과, 2월 3일 이후 2000 m 부근에서 양의 상대 소용돌이도가 발생하여 이 깊이에서 근관성주기파가 포획(trapping)되는 양상이 관측되었다. 이는 중규모 흐름이 시·공간적으로 변동함에 따라 NIWs 에너지의 수직 전파 범위와 최종 분포가 달라진다는 것을 보여준다.
이와 같은 결과는 중규모 흐름이 근관성주기파의 에너지 거동과 동역학에 핵심적으로 작용함을 강조한다. 유효 관성 주파수를 변화시키는 중규모 순환은 NIWs의 수직 군 속도 및 에너지 플럭스를 조절하여, 심층 혼합에 대한 기여를 증대시킨다. 특히 특정 깊이에서 NIWs가 포획되는 사례는 중규모 흐름으로 인해 변화된 관성 주파수가 근관성주기파의 에너지 경로 및 심해 성층 유지에 어떻게 관여하는지를 잘 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iv
• List of Figures vii
• List of Tables xiv
• 1. Introduction 1
• 1.1. Definition of Near-Inertial Waves (NIWs) 1
• 1.2. Importance of Studying NIWs: Issues Associated with Downward Propagating NIWs 5
• 1.3. Overview of the Thesis: Significance of Mesoscale Flows on NIWs 8
• 1.3.1. Theory of NIWs without Considering Mesoscale Flows 8
• 1.3.2. Mesoscale Imprinting on NIWs 11
• 1.3.3. Downward propagating energy flux of NIWs 17
• 1.3.3.1. Amount of downward propagating energy flux 18
• 1.3.3.2. Critical depth of downward propagating energy flux 23
• 1.4. Objectives of This Study 30
• 2. Data & Methods 32
• 2.1. Data and Processing 32
• 2.1.1. Motivations for Choosing the Kuroshio Extension 32
• 2.1.2. Subsurface Mooring Data 34
• 2.1.3. Additional Data Employed in This Study 40
• 2.2. Methods 42
• 2.2.1. Estimation of NIWs Energy Flux 42
• 2.2.1.1. Approach to Resolving Mesoscale Impacts on NIW Propagation and Energetics 42
• 2.2.1.2. Wind Work Rates Incorporating Mesoscale Flows 45
• 2.2.1.3. Downward Energy Flux Incorporating Mesoscale Flows 46
• 2.2.2. Simulation of NIWs Propagating Pathways 53
• 2.2.2.1. Ray-Tracing Model 53
• 2.2.2.2. Initial Properties of the NIWs 57
• 3. Results 65
• 3.1. Impact of Mesoscale Circulations on the Downward Energy Flux of NIWs 65
• 3.1.1. Contrasting Mesoscale Eddy Intensity and Wind Stress During Observation 65
• 3.1.2. Observed Near-Inertial Signals 68
• 3.1.3. Responses of NIWs to BMFs 71
• 3.1.4. BMFs Impacts on the Downward Energy Flux 74
• 3.2. Case Study: Captured NIWs at Deep Ocean 77
• 3.2.1. Strong Near-Inertial Velocity Event and Its Vertical Propagation in January 2018 77
• 3.2.2. Ray-Tracing Under Static and Dynamic Background Conditions 80
• 3.2.3. Trapping of Near-Inertial Waves at Critical Depth Due to Background Vorticity 86
• 4. Discussion 91
• 4.1. Significance of Mesoscale Interaction in Oceanic Energy Budgets 91
• 4.2. Dynamics and Oceanographic Implications of Deep NIW Trapping 100
• 5. Summary and Conclusions 109
• Appendices 112
• Comparing the Damped Slab Model and the Price-Weller-Pinkel (PWP) Model 112
• Reference 118
• Abstract in Korean 137