Intraseasonal variability in the southwestern and central tropical Atlantic Ocean [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Karina von Schuckmann

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Extrait

Intraseasonal variability in the southwestern and
central tropical Atlantic Ocean
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultat
der Christian-Albrechts-Universitat
zu Kiel
vorgelegt von
Karina von Schuckmann
Kiel, September 2006Referent/in: Priv.-Doz. Dr. P. Brandt
Korreferent/in: Prof. Dr. C. B oning
Tag der mundlic hen Prufung: 06.11.2006
Zum Druck genehmigt: Kiel, den 06.11.2006
Der Dekan Prof. Dr. J. GrotemeyerAbstract
Various kinds of intraseasonal variability (ISV) exist in the oceans which have recently been
observed in many locations surrounding the tropical Atlantic Ocean. Their forcing mecha-
nisms can involve di eren t dynamic processes, i.e. intraseasonal wind uctuations, internal
ocean processes or remote forcing. In this study, current measurements from mooring sites
close to the western boundary in the southern hemisphere and at the equator in the cen-
tral basin are analyzed which reveal signals at intraseasonal periods. Basinwide altimeter
measurements as well as results from two numerical model simulations with varying surface
wind forcing are applied in order to clarify the dynamic processes essential for the ob-
served intraseasonal signals. It is shown that in the tropical Atlantic two key processes lead
to the generation of uctuativ e energy at intraseasonal periods: barotropic and baroclinic
instability.
Two individual maxima of eddy kinetic energy (EKE) can be separated analyzing the
current measurements at 11 S close to the South American coast. One of these maxima
is evident in the near surface layer. Together with altimetry measurements and the model
simulations it could be shown that this signal is linked to disturbances propagating westward
as baroclinic Rossby waves with phase speeds of 0.1-0.2 m/s and wavelengths of 400-1000
km along 11 S. The models are then used to diagnose the energetics in the tropical South
Atlantic which reveals that - beside the enhanced signal close to the western boundary -
EKE shows maximum values in the domain of the central South Equatorial Current (cSEC).
EKE is generated mostly by baroclinic instability and the in uence of barotropic instability
is small. Cyclonic eddy-like features develop at the southern rim of the cSEC which seem to
propagate southwestward to the North Brazil Undercurrent (NBUC), where the variability
clearly increases.
The second EKE maximum is located at intermediate depths between 200 and 800 m
depth which is accompanied by weak mean southward o w. Energy transfer terms derived
from the model output shows that the NBUC becomes unstable at about 4 -5 S. A recir-
culation cell is indicated which is accompanied by enhanced EKE generated by barotropic
instability. Part of this resulting EKE is converted into the mean eld by stabilizing ef-
fects of baroclinic instability, possibly resulting in the weak southward recirculating o w
observed in the current measurements. South of 9 S uctuativ e energy is generated by both,
barotropic and baroclinic instability. E ects of strong changes in strati cation and reduced
current shear account for the fact that EKE at intermediate depths is con ned to that depth
layer as observed in the mooring array data at 11 S.
In addition, the distribution of energy sources favoring the growth of near-surface tropical
instabilities in the entire tropical Atlantic Ocean is of particular interest. Analyzing the
model output it could be shown that predominantly in boreal summer barotropic as well as
baroclinic instabilities generate EKE in a band 5 latitude. Barotropic instability occurs
in the horizontal shear between the North Equatorial Countercurrent (NECC) and the
northern South Equatorial Current (nSEC) as well as between the Equatorial Undercurrent
(EUC) and the nSEC. Baroclinic instability grows in the domain of the cSEC and the
nSEC. A principle oscillation pattern (POP) analysis along the equator reveals that two
patterns of ISV at 20-40 d periods exist which propagate westward. The dominant one is
generated near the equator and the second one is generated between 3 -5 N, that is in the
domain of the tropical instabilities. The amplitude of the second POP pattern indicates
that the oscillation could be associated with an equatorially trapped Yanai-type. A similar
ISV signal is also evident in the measurements of the equatorial mooring at 23 W.Zusammenfassung
In den Ozeanen existieren zahlreiche intrasaisonale Variabilit aten (ISV), die im
tropischen Atlantischen Ozean beobachtet wurden. Die Antriebsmechanismen k onnen unter-
schiedlichen dynamischen Prozessen unterliegen, wie intrasaisonalen Wind uktuationen, in-
ternen Prozessen des Ozeans oder fernwirkenden Kr aften. Im Rahmen dieser Arbeit werden
Str omungsmessungen aus Verankerungen am westlichen Rand auf der Sudhemisph are und
am Aquator im zentralen Becken untersucht, in denen ISV ist. Zus atzlich werden Altimeter-
messungen und Simulationen von numerischen Modellen mit unterschiedlichem Windantrieb
verwendet, um die dynamischen Prozesse zu identi zieren, welche die beobachteten intra-
saisonalen Signale hervorrufen. Zwei Kernprozesse erzeugen uktuativ e Energien auf intra- Zeitskalen: barotrope und barokline Instabilit at.
Die Str omungsmessungen bei 11 S nahe der sudamerik anischen Kuste zeigen, dass zwei
unabh angige Maxima Wirbel-kinetischer-Energie (EKE) existieren, von denen das eine in
Ober achenn ahe zu nden ist. Die Altimetermessungen und Modellsimulationen zeigen,
dass dieses Signal im Zusammenhang mit Anomalien steht, die mit Phasengeschwindigkeiten
von 0.1-0.2 m/s und Wellenl angen von 400-1000 km als barokline Rossby-Wellen ent-
lang 11 S nach Westen propagieren. Die Erzeugung der EKE im tropischen Sudatlan tik
wird in den Modellsimulationen untersucht. Dabei zeigt sich, dass die EKE maximale
Werte im Bereich des zentralen Sud aquatorialen Stromes (cSEC) aufweist. Die EKE wird
haupts achlich durch barokline Instabilit aten erzeugt, w ahrend der Ein uss barotroper Insta-
bilit at gering ist. Zyklonal rotierende Bewegungen entstehen am sudlic hen Rand des cSEC,
die sudw estlich in Richtung des Nordbrasil Unterstroms (NBUC) propagieren und erh ohen
dort die Variabilit at.
Das andere EKE-Maximum ist zusammen mit einer schwachen sudw artigen mittleren
Str omung in der Tiefe des Zwischenwassers zwischen 200 und 800 m Tiefe zu beobachten.
Die Energietransferterme aus den Modellergebnissen zeigen, dass der NBUC bei 4 -5 S
instabil wird. Es existiert eine Rezirkulationszelle, in der EKE durch barotrope Insta-
bilit at erzeugt wird. Ein Teil dieser EKE wird in mittlere Energie durch stabilisierende Ef-
fekte barokliner Instabilit at umgewandelt, was m oglicherweise die Ursache fur die schwache
sudw artige Str omung ist, die beobachtet werden konnte. Sudlic h von 9 S wird uktuativ e
Energie durch barotrope und barokline Instabilit at erzeugt. Starke Anderungen der Schich-
tung und verringerte Str omungsscherung sind dafur verantwortlich, dass die EKE in den
Beobachtungen bei 11 S auf den Bereich des Zwischenwassers beschr ankt ist.
Desweiteren wird die Verteilung der Instabilit atsprozesse im ober achennahen tropischen
Atlantik untersucht. Die Modellergebnisse zeigen, dass vor allem im borealen Sommer
barotrope, aber auch barokline Instabilit aten EKE in einem Band von 5 geographischer
Breite erzeugen. Barotrope Instabilit at entsteht in der horizontalen Scherung zwischen dem
Nord aquatorialen Gegenstrom (NECC) und dem n ordlichen Sud aquatorialstrom (nSEC),
sowie zwischen dem aquatorialen Unterstrom (EUC) und dem nSEC. Barokline Instabilit at
entsteht im Bereich des cSEC und des nSEC. Mit Hilfe einer POP (principle oscillation pat-
tern) Analyse entlang des Aquators ergibt sich, dass zwei ISV-Signale im Periodenbreich von
20-40 d existieren, die nach Westen propagieren. Das dominante oszillierende Signal wird in
der N ahe des Aquators und das zweite wird n ordlich des Aquators bei 3 -5 N erzeugt, also
im Bereich der tropischen Instabilit aten. Die Amplitude der zweiten POP deutet darauf
hin, dass diese Oszillation mit einem Yanai-Typ erkl art werden kann. Ein ahnlic hes Signal
erscheint ebenfalls in der aquatorialen Verankerung bei 23 W.Contents
1. Introduction 1
1.1. Motivation and structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. The western tropical Atlantic: Mean o w and temporal variability . . . . . 4
1.2.1. Mean circulation in the upper layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2. Mean at intermediate depths: The spreading of AAIW . 8
1.2.3. Temporal variability in the Atlantic: Seasonal and subseasonal time
scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2. Data used in this study 13
2.1. Direct current and hydrographic measurements . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1. Mooring array at 11 S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2. Mooring at 23 W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.3. Shipboard measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.4. WOCE Global Hydrographic Climatology . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.5. A drifter-derived climatology of near-surface currents . . . . . . . . . 18
2.2. Altimeter measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3. FLAME model simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .