hide
Free keywords:
-
Abstract:
Our understanding of the interaction between the large-scale ocean
circulation and ocean mesoscale eddies is mainly based on those parts
of the circulation and those eddies that lie in the upper ocean. In this
dissertation, I use a 0.1 degree, eddy-resolving ocean model to reveal
two so far unknown eddy phenomena that are distinct to eddies in the
deep ocean and cannot be observed for the well-known eddies in the
upper ocean.
Firstly, eddies that are generated near the deep western boundary
current (DWBC) in the Atlantic have a two-fold effect on mean density:
Above the DWBC core (the level of maximum flow, ∼ 2000 m depth),
they decrease the available potential energy of the mean flow by flat-
tening isopycnals; this behavior is in agreement with our expectation
from baroclinic instability theory and is furthermore the foundation
of common eddy parameterizations. However, below the DWBC core,
eddies systematically increase the available potential energy of the
mean flow by steepening isopycnals. Two consequences arise from this
anomalous eddy behavior: a so far unknown mean circulation normal
to the DWBC evolves that balances the eddy effect on mean density;
moreover, the steepening of isopycnals below the DWBC core can
also be interpreted as a deepening of the DWBC. This eddy-induced
deepening might serve as an explanation for a too shallow DWBC in
coarse-resolution ocean models that do not resolve eddies and thus
do not capture the effect. I think that the two-fold eddy effect might
be a general property of eddies near deep mean currents and thus, it
might be relevant in other regions of the world ocean that exhibit deep
currents.
Secondly, I observe different DWBC response behaviors in eddying
and non-eddying ocean models that are subject to the same increase in
surface wind stress: In the non-eddying model, the upper meridional
overturning cell strengthens due to stronger winds over the southern
ocean. For the DWBC, which closes both, the upper and bottom over-
turning cell in the southward direction, this strengthening implies a
speed-up; In the eddying model, the upper cell strengthens by roughly
the same amount, however, the DWBC now slows down. This becomes
possible if the bottom overturning weakens drastically so that the total
DWBC transport can decrease. I show that the DWBC slow down is
balanced by eddy fluxes of relative vorticity which are not present in
the non-eddying model. Thereby, I can attribute the described response
difference to whether eddies are resolved or not. For the real (eddying)
ocean, this implies that the suggested link between the upper and the
bottom overturning cell (’ocean seesaw’) might be weaker than previ-
ously thought and that both cells are allowed to respond independently
to forcing changes.
Abstract:
Unser Verständnis von der Wechselwirkung zwischen der groß-skaligen
Ozeanzirkulation und den meso-skaligen Ozeanwirbeln beruht im We-
sentlichen auf den Teilen der Zirkulation und den Wirbeln, die im
oberen Teil des Ozeans liegen. In dieser Dissertation verwende ich
ein wirbelauflösendes Ozeanmodell mit 0,1 Grad Auflösung, um zwei
bisher unbekannte Eigenschaften von Wirbeln im tiefen Ozean aufzu-
decken. Diese Eigenschaften sind charakteristisch für tiefe Wirbel und
können nicht für solche im oberen Ozean beobachtet werden.
Erstens haben die tiefen Wirbel in der Nähe des tiefen westlichen
Randstroms (TWR) im Atlantik zwei unterschiedliche Auswirkungen
auf die mittlere Dichteverteilung: Oberhalb des TWR-Kerns (die Tiefe
mit der maximalen Geschwindigkeit, ∼2000 m) verringern Wirbel die
verfügbare potentielle Energie der mittleren Strömung durch Abfla-
chung der Isopyknen; dieses Verhalten entspricht unserer Erwartung
aus der Theorie der baroklinen Instabilität und ist darüber hinaus die
Grundlage für gängige Wirbelparametrisierungen. Jedoch, unterhalb
des TWR-Kerns erhöhen die Wirbel systematisch die verfügbare poten-
tielle Energie der mittleren Strömung durch das Aufsteilen der Isopy-
knen. Zwei Konsequenzen ergeben sich aus diesem ungewöhnlichen
Verhalten der Wirbel: Es entsteht eine bisher unbekannte Zirkulation in
der Ebene senkrecht zum TWR, die den Wirbel-Effekt auf die mittlere
Dichte ausgleicht; darüber hinaus kann das Aufsteilen der Isopyknen
unterhalb des TWR-Kerns auch als Vertiefung des TWRs interpretiert
werden. Diese wirbelinduzierte Vertiefung könnte als Erklärung für
einen zu flachen TWR in grob aufgelösten Ozeanmodellen dienen, die
die Wirbel nicht auflösen und somit den genannten Effekt nicht erfas-
sen. Möglicherweise ist die Tatsache, dass Wirbel zwei unterschiedliche
Effekte auf die mittlere Dichte, abhängig von der Tiefe, haben, eine all-
gemeine Eigenschaft von Wirbeln in der Nähe von tiefen Strömungen.
Folglich könnte dies auch in anderen Regionen des Ozeans, in denen
sich tiefe Strömungen befinden, relevant sein.
Zweitens ist die Reaktion des TWRs auf eine Zunahme des Windes
an der Meeresoberfläche unterschiedlich, abhängig davon, ob Wirbel in
einem Modell aufgelöst werden oder nicht: Im nicht-wirbelauflösenden
Modell verstärkt sich die obere Zelle der meridionalen Umwälzzirku-
lation aufgrund der Zunahme der Winde über dem südlichen Ozean.
Für den TWR, der sowohl die obere als auch die untere Zelle der
Umwälzzirkulation in südlicher Richtung vervollständigt, bedeutet
diese Verstärkung eine Beschleunigung; im wirbelauflösenden Modell
verstärkt sich die obere Zelle um dasselbe Maß, jedoch wird der TWR
nun langsamer. Dies ist möglich, wenn die untere Zelle der Umwälzzir-
kulation deutlich schwächer wird, so dass der gesamte TWR-Transport
abnehmen kann. Ich zeige, dass die Verlangsamung des TWR durch
wirbelinduzierte Flüsse von relativer Vortizität ausgeglichen wird. Die-
se Flüsse sind im nicht-wirbelauflösenden Modell nicht vorhanden.
Somit können wir den beschriebenen Unterschied in der Reaktion des
TWRs der beiden Modelle darauf zurückführen, ob Wirbel aufgelöst
werden oder nicht. Für den realen Ozean (der Wirbel enthält) bedeutet
dies, dass die angenommene Kopplung zwischen der oberen und der
unteren Zelle der Umwälzzirkulation (’Ozeanwippe’) schwächer sein
könnte als bisher vermutet und dass beide Zellen unabhängig von-
einander eine Reaktion auf Änderungen im Strömungsantrieb zeigen
können.
