Multidecadal and NAO related variability in a numerical model of the North Atlantic circulation [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Jennifer P. Brauch

Jennifer Brauch

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• Publié par: universitat_bremen
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 12
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

Multidecadal and NAO related variability
in a numerical model of the
North Atlantic circulation
Dissertation
zur
Erlangung des Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
- Dr. rer.nat. -
Dem Fachbereich Physik der
Universitat¨ Bremen
vorgelegt von
Jennifer P. Brauch
1. Gutachter : Prof Dr. D. Olbers
2. : Prof Dr. P. Lemke
¨ALFRED-WEGENER-INSTITUT FUR POLAR- UND MEERESFORSCHUNG
BREMERHAVEN, OKTOBER 2003Jennifer P. Brauch
UVic Climate Modelling Research Group
PO Box 3055, Victoria, BC, V8W 3P6, Canada
http://climate.uvic.ca/
[e-mail]
This work is the unchanged version of a phd thesis, which was presented to the Fachbe-
reich Physik/Elektrotechnik of the Universitat¤ Bremen in 2003. It is available in printed
form at the Alfred Wegener Institut (http://www.awi-bremerhaven.de/Library).Contents
List of Figures iv
List of Tables v
Zusammenfassung vii
Abstract viii
1 Introduction 1
2 Background 5
2.1 Main Characteristics of the Arctic and North Atlantic Ocean . . . . . . . . 5
2.1.1 Bathymetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Major currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3 Hydrography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.4 Sea ice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.5 Convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Variability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 NAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Variability in the Arctic Mediterranean . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.3 GSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.4 Oscillations in ocean models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 Model description 23
3.1 Ocean model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.1 Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.2 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 Sea Ice model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.1 Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.2 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Data exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
iContents Contents
4 Atmospheric forcing 41
4.1 OMIP data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 NAO+ and NAO composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5 Spin up 49
5.1 Hydrography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2 Circulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3 Heat transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.4 Ice distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6 Sensitivity experiments 67
6.1 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.2.1 Response of the ice elds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.2.2 of the ocean elds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7 Internal variability 85
7.1 First look at the oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.2 Role of the Labrador Sea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8 Final conclusions and outlook 103
Bibliography 107
Acknowledgements 123
iiList of Figures
1.1 Icelandic winter shery 1600 1882 and sea surface temperature . . . . . . 2
2.1 Arctic Mediterranean Sea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Major Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Major Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1 Model grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 Depth levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 Model topography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.1 Mean of the windstress elds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2 Mean of the surface air temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3 Difference between the NAO+ and NAO composite of the wind stress . 44
4.4 Difference the NAO+ and NAO of the two metre
temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.5 Mean of the magnitude of the wind stress vector . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1 Temperature in 300 m depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2 Salinity in 300 m depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.3 Mean vertically integrated streamfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.4 Mean mixed layer depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.5 Mean zonally integrated overturning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.6 Heat transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.7 Decomposition of the heat transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.8 Anomaly of the northward heat transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.9 Mean ice transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.10 Annual mean of the maximum of the meridional overturning . . . . . . . 65
6.1 NAO Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.2 Experimental design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.3 Difference of sea ice concentration between SWITCH and CTRL . . . . . . 70
6.4 Difference of sea ice thickness between SWITCH and CTRL . . . . . . . . . 71
6.5 Difference of sea ice growth of SWITCH and SPIKE . . . . . . . . . . . . . 72
6.6 Deviation of the meridional overturning from CTRL . . . . . . . . . . . . . 73
iiiList of Figures List of Figures
6.7 Annual mean meridional overturning of the SWITCH . . . . . . . . . . . . 74
6.8 mean of the . . . . . . . . . . 74ow
6.9 Difference between SWITCH and CTRL in the barotropic streamfunction . 76
6.10 Annual mean velocity eld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.11 means of the integrated potential energy anomaly of SWITCH . . 78
6.12 Annual mean of the energy of . 79ow
6.13 Maximal convection depth in the Labrador box . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.14 Deviation of meridional heat transport at 48 N from CTRL . . . . . . . . . 81
7.1 Time series of the oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.2 Lagged regression between overturning and streamfunction . . . . . . . . 87
7.3 Fluctuations of the meridional heat transport . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.4 Lagged regression between the overturning and the surface salinity . . . . 89
7.5 Mean tracer pro les in the Labrador box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7.6 Maximal convection depth in the Labrador box . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7.7 Lagged regression between overturning and the surface salinity . . . . . . 92
7.8 Cross spectra of the maximum of the overturning maximum of the con-
vection in the Labrador box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.9 Temporal derivatives of the density difference between two layers . . . . . 95
7.10 Annual means of the streamfunction and surface density . . . . . . . . . . 96
7.11 of salt transport in two layers . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.12 Sketch of an oscillation cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
ivList of Tables
3.1 Parameterisations for the ocean model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Parameters used in the ice model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.1 Maxima of important quantities for the three spin up experiments . . . . . 54
5.2 Mean ice export and ice volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.1 Total ice volume and area and ice export to the south . . . . . . . . . . . . 70
vviZusammenfassung
Das Verstandis¤ der naturlichen¤ Variabilitat¤ des Nordatlantischen und Arktischen Ozeans
ist noch immer unzureichend. Besonders auf Zeitskalen von zwischenjahrlicher¤ bis
multidekadischer Variabilitat,¤ auf welchen die Verfugbarkeit¤ der Daten limitiert ist,
verbleiben noch viele offene Fragen. Diese Studie beschaftigt¤ sich mit der Reaktion eines
&