Calculation of Vertical Flux and Diffusivity due to Double Diffusion in the Tropical Western Pacific

Abstract

본 연구는 2012년에 0˚N, 156˚E에서 관측한 14일 간의 시계열 자료를 이용하여 난류가 약한 시기에 이중확산이 수온약층(약 20 m에서 300 m보다 깊은 수심까지)의 수직혼합에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 이 관측에서는 미규모 관측장비를 이용하여 온도 소산율과 난류 운동 에너지 소산률을 직접 게산하였다. 관측 시기는 엘니뇨나 라니냐가 일어나지 않았던 시기임에도 불구하고, 엘니뇨 시기와 유사하게 온난해수역의 서쪽 확장으로 야기된 강한 성층이 표층과 수온약층의 상호작용을 억제하여 수온약층에서 난류가 약하였다. 온도와 염분, 밀도의 수직확산계수와 속은 McDougall and Ruddick [1992]의 방법을 따랐다. 난류와 이중확산이 일어나는 지역을 나누는 기준은 터너 각(Turner angle)과 레이놀즈 수(Reynolds number)을 시용하여 수직혼합이 일어나지 않는 구간, 난류 구간, 이중확산 구간, 난류와 이중확산이 동시에 존재하는 구간으로 나누었다. 연구 결과에 따르면 수온약층의 대부분에서 난류가 약하여 이중확산이 지배적이었다. 이중확산에 의한 수직 열속과 수직 염속은 난류보다 10-100배 정도 큰 10-6 – 10-7 K m s-1, 10-5 - 10-6 psu m s-1의 값을 가졌다. 이중확산으로 인한 수직 밀도속은 성층을 더 강화시키는 하향으로 10-7 kg m-2 s-1 정도로 나타난다. 이중확산에 의한 밀도의 수직확산계수는 10-5 - 10-6 m2 s-1로, 적도에서 난류에너지 소산율이 10-8 – 10-9 m2 s-3일 때의 난류에 의한 밀도의 수직확산계수의 값과 맞먹는다. 본 연구에서 난류가 약할 때, 적도 서태평양의 수직 밀도속에 이중확산이 큰 기여를 하는 것을 알 수 있었다. 따라서 난류에 의해서만 수직 속을 구한다면 실제보다 작게 추정될 가능성이 높다.

This study aims to understand the impacts of double diffusion and turbulence on vertical mixing in thermocline (from 20 m to below 300 m depth) under weak turbulence condition based on 14-day time series observation of fine scale velocity and temperature at 0˚ N, 156˚ E in 2012. The observation allows direct estimates of temperature variance dissipation rate and turbulent kinetic energy dissipation rate. The weak turbulence condition appears to the result from the restricted vertical turbulent mixing due to westward expansion of fresher warm pool which was reported to occur in the western equatorial Pacific during the El Nino period. Vertical diffusivity and vertical flux of heat, salt, and density are calculated using the methods from McDougall and Ruddick [1992]. The Turner angle and the Reynolds number are used to classify observed regimes into neither turbulent nor double diffusive, turbulent, non-turbulent double diffusive, and turbulent double diffusive regimes. The results suggest a considerable contribution of double diffusion to vertical flux of heat and salt larger than that due to turbulence by a factor of 10 – 100. The magnitude of vertical flux of temperature and salinity due to salt fingering is estimated to be about 10-6 – 10-7 K m s-1 and 10-5 – 10-6 psu m s-1. The dominance of the double diffusive vertical flux results in downward total density flux of about 10-7 kg m-2 s-1 rather than upward flux which is the case for the turbulence-dominated vertical flux. Vertical density diffusivity due to double diffusion is 10-5 – 10-7 m2 s-1, which is comparable with that due to turbulence in 10 times greater turbulent dissipation condition. This study highlights the substantial contribution of double diffusion to vertical density flux in the tropical western Pacific under weak turbulence condition. Estimates of the vertical flux based only on turbulence would significantly underestimate the vertical density flux.