Mesoscale Eddy Variability from Lagrangian Coherent Structure of Satellite Sea Surface Current Field = 인공위성 표층 해류장 라그랑지 코히어런트 구조 기반 해양 중규모 소용돌이 변동성

국문 초록 (Abstract)

전구 해역 어디에서나 볼 수 있는 중규모 소용돌이는 수평 규모가 ~100km인 회전 구조로, 몇 주에서 몇 달 동안 유지되며 해양 운동 에너지의 상당 부분을 저장한다. 코히어런트 구조는 내부의 수괴가 형태를 유지하며 주변 흐름과의 체적 교환 없이 먼 거리를 운반한다는 특징을 가진다. 해류장으로부터 코히어런트 에디와 와류를 탐지하는 방법으로는 크게 두 가지 방법이 있다. 먼저 altimeter와 같은 위성의 스냅샷 영상으로부터 에디의 경계부를 찾는 Eulerian 방법이 있고, 다른 하나는 일정한 시간 동안 입자를 따라가며 코히어런트 구조를 탐지하는 Lagrangian 방법이 있다. 순간적인 해수면 정보를 이용하여 에디를 탐지하는 Eulerian 방법과는 달리 Lagrangian 방법은 적분 시간 동안 동일한 부피로 움직이는 구조를 추적하기 때문에 코히어런트 구조를 탐지하는데 더 적합하다. 따라서 본 연구에서는 Lagrangian 관점에서 코히어런트 구조를 추적하기 위해 LAVD (Lagrangian Averaged Vorticity Deviation) 방법을 도입하여 1993년부터 2020년까지 장기간에 걸쳐 지구 와류의 변동성을 분석하였다.
위성 데이터로 구축된 28년간의 표층 해류장을 활용하여 전지구 해역의 중규모 소용돌이의 변동성을 조사하였고, 생성된 LAVD 맵으로부터 중규모 코히어런트 구조를 명확하게 탐지하였다. 본 논문에서는 cyclonic과 anti-cyclonic을 구분하기 위해 새롭게 고안한 계산법을 통해 전구 해역에 분포하는 중규모 소용돌이의 polarity 특성도 확인할 수 있었다. 탐지된 와류는 거의 모든 곳에서 발생하지만 경압적으로 불안정한 환경 및 서안 경계류 부근에서 가장 빈번하게 발생한다. 전반적으로 와류 수의 빈도는 anticyclonic 소용돌이보다 cyclonic 소용돌이가 더 크게 나타났으나, 수명이 긴 에디는 anticyclonic 에디에서 더 빈번하게 나타났다. 또한, 코히어런트 와류의 개수는 cyclonic과 anticyclonic 모두 시간이 지남에 따라 증가하는 경향을 보였다. 특히 Lagrangian 와류의 증가는 2000년 이후 확연히 나타나고 있다. 이러한 증가 추세의 원인으로 입력 자료인 고도계 데이터의 증가로 인한 eddy-resolving 능력의 향상을 하나의 이유로 생각할 수 있으나, 2000년 이후에도 지속되는 이러한 와류의 증가는 유의미한 결과로 볼 수 있다. 북서 태평양과 북대서양에서 연속적인 LAVD 지도를 사용하여 중규모 소용돌이를 추적하였다. 중규모 소용돌이는 중위도 지역에 집중적으로 분포하였고, 긴 수명을 가진(>360일) 중규모 소용돌이를 추적한 사례 연구에서는 에디의 형성, 발달, 이동, 병합, 소멸 과정이 잘 나타났다. 에디의 형태는 와류 이심률 변동에 대한 분석을 통해 에디의 형태가 에디의 생성-소멸 과정의 각 단계에서 끊임없이 변동하는 것을 볼 수 있었다. Hovmoller 다이어그램과 광학 흐름 기법을 이용하여 계산된 중규모 소용돌이의 westward 전파 속도는 저위도에서 중위도로 갈수록 감소하는 것을 확인하였다.
전구 해역에서의 LAVD 와류의 장기 변동성 분석에서는 수괴의 회전력을 의미하는 LAVD 값 자체도 증가하는 경향이 나타났으며, 이러한 증가 추세는 해안지역을 따라 뚜렷하게 나타났다. 지구 온난화 환경에서의 해수면온도 증가와 성층 강화는 이러한 전구 LAVD 소용돌이의 개수 증가 및 크기 증가에 영향을 줄 수 있으며, 대부분의 해역에서 전구 중규모 소용돌이의 LAVD 값이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
표층 해류의 공간 구조를 분석하기 위해서는 오차를 최소화한 고해상도의 잘 계산된 표층 해류 정보가 필요하다. 현장 관측 자료의 시간적, 공간적 한계로 인해 위성자료로부터 해류 정보를 획득하는 것이 필요하며, 고도계 자료로부터 얻을 수 있는 geostrophic 해류 정보 외에 더 향상된 해류장을 얻을 수 있을지에 대한 질문이 연구 동기가 되었다. 본 연구에서는 기존의 광학 흐름 기법에서 성능을 향상시킨 이미지 보정 광학 흐름 기법을 제시하고, GOCI chlorophyll-a 자료와 GK-2A 해수면온도 영상을 입력 데이터로 사용하여 북서태평양의 optical flow를 계산하였다. 추정된 표층 해류는 MCC 기반의 해류와 PIV 기법의 해류장, 고도계 해류와 각각 비교되었다. 산출된 optical flow current의 정확도는 표층 뜰개 자료로부터 계산한 해류와의 비교를 통해 검증되었다. 고해상도의 optical flow 해류장을 장기간에 걸쳐 산출한 후 격자를 모두 채울 수 있는 합성장을 생산한다면, 추후 코히어런트 구조의 추출 및 개선된 연구 결과를 얻을 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As rotating structures with horizontal scales of ~100 km, mesoscale eddies are ubiquitous in the global oceans. They often last several weeks to months, storing a significant proportion of the ocean’s kinetic energy. The coherent structure is characterized by that the interior water mass is enclosed by a material barrier and transported for a distance without volume exchange with the ambient flows. There are two main methods used to detect coherent eddies from oceanic current fields. One is Eulerian method to find the boundary of eddies from satellite snapshot images such as altimeter, and the other is Lagrangian method to detect coherent structures while following a water parcel during a time interval. Unlike the Eulerian method, which detects eddies using information such as instantaneous sea level anomalies, the Lagrangian method tracks a structure that moves with the same bulk during integration time, so it is suitable for detecting coherent structures. Therefore, in this study, the Lagrangian Averaged Vorticity Deviation (LAVD) method was introduced to trace the coherent structures from the Lagrangian perspective and the variability of global vortices were analyzed for a long term of 1993 to 2020.
28-years of sea surface current fields constructed with satellite data are utilized to investigate mesoscale variability in the global ocean. The coherent mesoscale features were apparent in the generated LAVD map. The newly devised calculation method for distinguishing cyclonic and anti-cyclonic in this paper made it possible to confirm the polarity characteristics of eddy distributed in the global ocean. The detected vortices are found to originate nearly everywhere, but most frequently generated in the vicinity of western boundary currents in the baroclinically unstable environment. Overall, the frequency of the number of vortices are larger for cyclonic eddies than anti-cyclonic eddies. However, there is a slight preference for the eddies with long lifetimes to be anti-cyclonic over the entire period. Also, the number of coherent vortices tends to increase with time for both cyclonic and anti-cyclonic. In particular, the increase in Lagrangian vortices has become evident since 2000. One reason for this increase trend is the improvement in ability of eddy-resolving due to the increase in the number of altimeter data used as input data, but as a result of the survey, the number of altimeter data and the detected LAVD vortices are not directly proportional, the increase in these vortices after 2000 can be regarded as a significant result. Mesoscale vortices were tracked using successive LAVD maps in the Northwest Pacific and North Atlantic. It showed a dominant activity in the mid-latitude region, and in a case study tracking long-lived eddy (>360 days), the formation, development, movement, and merging decay processes of eddy were well revealed. The shape of the vortices was found to fluctuate in each phase of the eddy life time with eddy eccentricity. It was confirmed that the westward propagation speed of mesoscale vortices calculated using the Hovmöller diagram and optical flow method decreases from low latitudes to mid-latitudes.
In the long-term variability analysis of LAVD vortices in the global ocean, the LAVD value itself, which means the rotational force of the water parcel, also showed an increasing trend, and this positive trend was evident along the coastal region. Under globally warming environment as indicated in SST warming and stratification strengthening, LAVD vortex magnitudes showed increasing trend in most area of the global ocean.
To analyze the spatial structure of surface currents, well-calculated current data with fine resolution and minimized errors are required. Due to the temporal and spatial limitations of in-situ data, it is necessary to obtain ocean current information from satellite data, and the question of whether there is a better developed method other than geostrophic ocean current information obtained from altimeter data became the motivation for this research. In this study, we present an image-adjusted optical flow method with improved performance from the existing optical flow technique, and optical flow in the Northwest Pacific was calculated using GOCI chlorophyll-a and GK-2A SST images as input data. The estimated current field was compared with the MCC-based currents, the current field of the PIV technique, and the altimeter currents, respectively. The accuracy of the retrieved optical flow was validated through comparison with the drifter current. Taking advantage of the dense optical flow fields, if the retrieved surface currents for a long period of time are gathered later, it is expected that improved results can be obtained by compositing them to fill the empty grid and then extracting the coherent structure.

목차 (Table of Contents)

• Part I. Mesoscale Vorticies Variability 1
• 1. Introduction 1
• 1.1 Study Background 1
• 1.2 Objectives 5
• 2. Data and Methods 6
• 2.1 OSCAR Current Data 6
• 2.2 Extraction Methods for Lagrangian Coherent Structure 8
• 2.2.1 Finite-Time Lyapunov Exponents (FTLE) 8
• 2.2.2 Lagrangian Averaged Vorticity Deviation (LAVD) 9
• 2.3 Lagrangian Coherent Structure from FTLE 11
• 2.3.1 Determination of Spatial Resolution for FTLE 11
• 2.3.2 Determination of Temporal Resolution for FTLE 13
• 2.4 Lagrangian Coherent Structure from LAVD 15
• 2.4.1 Determination of Spatial Resolution for LAVD 15
• 2.4.2 Determination of Temporal Resolution for LAVD 18
• 3. Lagrangian Coherent Structures in the Northwest Pacific 20
• 3.1 Distribution of Cyclonic and Anti-cyclonic vortices in the Northwest Pacific 22
• 3.2 Trajectories of Vortices 23
• 3.3 Spatial distribution of frequency of Vortices 25
• 3.4 Frequency of coherent vortices in the Northwest Pacific 28
• 3.5 Evolution of Coherent LAVD Eddy 33
• 3.6 Movement of Coherent Vortices 37
• 4. Lagrangian Coherent Structures in the North Atlantic 42
• 4.1 Distribution of Cyclonic and Anti-cyclonic vortices in the North Atlantic 45
• 4.2 Trajectories of Vortices 46
• 4.3 Spatial distribution of frequency of Vortices 48
• 4.4 Frequency of coherent vortices in the North Atlantic 51
• 4.5 Evolution of Coherent LAVD Eddy 54
• 4.6 Movement of Coherent Vortices 58
• 5. Long-term Variability of Lagrangian Coherent Structure in the Global Ocean 62
• 5.1 LAVD vortices in Global Region 63
• 5.2 Long-term Mean and Temporal Variablity of LAVD 65
• 5.3 Seasonal and Monthly Variations of LAVD 71
• 5.4 Scale of LAVD Vortices 73
• 5.5 Variability of LAVD vortices and Relation to Climate Index 74
• 5.6 Frequency of Cyclonic and Anti-cyclonic Vortices 77
• 5.7 Variability of LAVD magnitude of vortices 80
• 6. Discussion 83
• 6.1 Comparison of Eulerian vortices and Lagrangian vortices 83
• 6.2 Mainstream of Sea Surface Currents and its surrounding vortices 86
• 7. Conclusion 88
• Part II. Derivation of Sea Surface Current from Satellite Data 90
• 1. Introduction 90
• 1.1 Study Background 90
• 1.2 Objectives 96
• 2. Data 97
• 2.1 Satellite Chlorophyll-a Concentration Data 97
• 2.2 Satellite Sea Surface Temperature Data 98
• 2.3 Altimeter Data 99
• 2.4 Numerical Model Data 100
• 2.5 Drifter Data and In-situ Data 101
• 3. Methods 103
• 3.1 Feature Tracking Method 103
• 3.2 Particle Image Velocimetry (PIV) Method 105
• 3.3 Optical Flow Method 106
• 3.4 Reduction of GOCI inter-slot discrepancy 111
• 3.5 Image Enhancement 113
• 3.6 Quality Control Procedure of Estimated Current Vectors 114
• 3.7 Degermination of the center of the eddy 115
• 4. Results 116
• 4.1 Retrieval of SSC using Feature Tracking Method 116
• 4.2 SSC Derivation using Particle Image Velocimetry (PIV) Method 120
• 4.3 Adjusted Optical Flow SSC according to Input Image 121
• 4.4 Comparison of SSC Results from Different Methods 123
• 4.5 Validation 127
• 4.6 Application of Optical Flow SSC Fields 134
• 4.6.1 Lagrangian Coherent Structures from Optical Flow SSC 134
• 4.6.2 Estimation of Westward Propagating Speed using LAVD Optical Flow Fields 137
• 5. Conclusion 142
• Reference 144
• Abstract in Korean 154