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Modelling large scale ocean circulation : the role of mixing location and meridional pressure gradients for the Atlantic overturning dynamics

Modellierung grossräumiger Ozeanzirkulation :die Rolle inhomoger verteilter Vermischung und meridionaler Druckgradienten für die Atlantische Tiefenzirkulation

  • Due to its relevance for global climate, the realistic representation of the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) in ocean models is a key task. In recent years, two paradigms have evolved around what are its driving mechanisms: diapycnal mixing and Southern Ocean winds. This work aims at clarifying what sets the strength of the Atlantic overturning components in an ocean general circulation model and discusses the role of spatially inhomogeneous mixing, numerical diffusion and winds. Furthermore, the relation of the AMOC with a key quantity, the meridional pressure difference is analyzed. Due to the application of a very low diffusive tracer advection scheme, a realistic Atlantic overturning circulation can be obtained that is purely wind driven. On top of the winddriven circulation, changes of density gradients are caused by increasing the parameterized eddy diffusion in the North Atlantic and Southern Ocean. The linear relation between the maximum of the Atlantic overturning and the meridional pressure differenceDue to its relevance for global climate, the realistic representation of the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) in ocean models is a key task. In recent years, two paradigms have evolved around what are its driving mechanisms: diapycnal mixing and Southern Ocean winds. This work aims at clarifying what sets the strength of the Atlantic overturning components in an ocean general circulation model and discusses the role of spatially inhomogeneous mixing, numerical diffusion and winds. Furthermore, the relation of the AMOC with a key quantity, the meridional pressure difference is analyzed. Due to the application of a very low diffusive tracer advection scheme, a realistic Atlantic overturning circulation can be obtained that is purely wind driven. On top of the winddriven circulation, changes of density gradients are caused by increasing the parameterized eddy diffusion in the North Atlantic and Southern Ocean. The linear relation between the maximum of the Atlantic overturning and the meridional pressure difference found in previous studies is confirmed and it is shown to be due to one significant pressure gradient between the average pressure over high latitude deep water formation regions and a relatively uniform pressure between 30°N and 30°S, which can directly be related to a zonal flow through geostrophy. Under constant Southern Ocean windstress forcing, a South Atlantic outflow in the range of 6-16 Sv is obtained for a large variety of experiments. Overall, the circulation is winddriven but its strength not uniquely determined by the Southern Ocean windstress. The scaling of the Atlantic overturning components is linear with the background vertical diffusivity, not confirming the 2/3 power law for one-hemisphere models without wind forcing. The pycnocline depth is constant in the coarse resolution model with large vertical grid extends. It suggests the ocean model operates like the Stommel box model with a linear relation of the pressure difference and fixed vertical scale for the volume transport. However, this seems only valid for vertical diffusivities smaller 0.4 cm²/s, when the dominant upwelling within the Atlantic occurs along the boundaries. For larger vertical diffusivities, a significant amount of interior upwelling occurs. It is further shown that any localized vertical mixing in the deep to bottom ocean cannot drive an Atlantic overturning. However, enhanced boundary mixing at thermocline depths is potentially important. The numerical diffusion is shown to have a large impact on the representation of the Atlantic overturning in the model. While the horizontal numerical diffusion tends to destabilize the Atlantic overturning the verital numerical diffusion denotes an amplifying mechanism.show moreshow less
  • Wegen ihrer Bedeutung für das globale Klima ist die realistische Darstellung des Atlantischen meridionalen overturnings in Ozeanmodellen eine zentrale Aufgabe. In den letzten Jahren haben sich zwei verschiedene Hypothesen darüber entwickelt, was diese Zirkulation antreibt: diapyknische Vermischung und Winde im südlichen Ozean. Die vorliegende Arbeit zielt darauf aufzuklären, welche Rolle eine räumlich inhomogene Verteilung der Vermischung, die numerische Diffusion und Winde beim Bestimmen der Stärke des Atlantischen overturnings spielen. Ausserdem wird die Beziehung des Atlantischen overturnings zu meridionalen Druckgradienten untersucht. Durch Anwenden eines sehr gering diffusiven Tracer-Advektionsschemas kann eine realistische Zirkulation erzeugt werden, die rein von den Winden im südlichen Ozean getrieben wird. Ausgehend von der windgetriebenen Zirkulation werden Änderungen der Dichtegradienten durch Verstärkung der parametrisierten Eddy Diffusion im Nordatlantik und südlichen Ozean hervorgerufen. Dadurch wird das Bild einer vomWegen ihrer Bedeutung für das globale Klima ist die realistische Darstellung des Atlantischen meridionalen overturnings in Ozeanmodellen eine zentrale Aufgabe. In den letzten Jahren haben sich zwei verschiedene Hypothesen darüber entwickelt, was diese Zirkulation antreibt: diapyknische Vermischung und Winde im südlichen Ozean. Die vorliegende Arbeit zielt darauf aufzuklären, welche Rolle eine räumlich inhomogene Verteilung der Vermischung, die numerische Diffusion und Winde beim Bestimmen der Stärke des Atlantischen overturnings spielen. Ausserdem wird die Beziehung des Atlantischen overturnings zu meridionalen Druckgradienten untersucht. Durch Anwenden eines sehr gering diffusiven Tracer-Advektionsschemas kann eine realistische Zirkulation erzeugt werden, die rein von den Winden im südlichen Ozean getrieben wird. Ausgehend von der windgetriebenen Zirkulation werden Änderungen der Dichtegradienten durch Verstärkung der parametrisierten Eddy Diffusion im Nordatlantik und südlichen Ozean hervorgerufen. Dadurch wird das Bild einer vom Wind bestimmten Zirkulation in der letztendlich Druckgradienten nicht ausschlaggebend sein würden, modifiziert. Das lineare Verhältnis zwischen dem Maximum des Atlantischen overturnings und dem meridionalen Druckgradienten wird bestätigt und erklärt. Diese Linearität ist auf einen signifikanten Druckgradienten zwischen den Tiefenwasserbildungsgebieten und einem zwischen 30°N and 30°S homogenen Druck zurückzuführen. Der Volumentransport bei 30°S variiert über eine Bandbreite von 10 Sv für verschiedene Experimente unter konstantem Wind über dem südlichen Ozean. Zusammenfassend ist die Zirkulation zwar windgetrieben aber ihre Stärke nicht allein vom Wind bestimmt. Die Skalierung des Atlantischen overturnings ist linear mit vertikaler Vermischung, was die Skalierung mit einem Exponenten von 2/3 in ein-hemisphärischen Modellen ohne Wind-Antrieb nicht bestätigt. Die Tiefe der Pyknokline bleibt mit der groben vertikalen Auflösung konstant. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Ozeanmodell sich wie das Stommel-Box Modell verhält mit einer linearen Beziehung zum meridionalen Druckgradienten und einer festen vertikalen Skala für den Volumentransport. Das scheint jedoch nur für Diffusivitäten kleiner als 0.4 cm²/s zu gelten, wenn das Aufsteigen im Atlantischen Ozean bevorzugt an den Ozeanrändern statt findet. In Bezug auf den Antrieb des Atlantischen overturnings wird gezeigt, dass vertikale Vermischung in der Nähe des Ozeanbodens keinen Einfluss hat. Verstärkte vertikale Vermischung an den Ozeanrändern in der Tiefe der Thermokline jedoch ist potentiell wichtig. Die numerische Diffusion hat einen grossen Einfluss auf das Atlantische overturning im Modell. Während die horizontale numerische Diffusion das overturning eher zu destabilisieren tendiert, bewirkt die vertikale numerische Diffusion einen Verstärkungsmechanismus.show moreshow less

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Metadaten
Author:Alexa Griesel
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-2609
Advisor:Stefan Rahmstorf
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2005
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2005/04/14
Release Date:2005/05/04
Tag:Antrieb; Druckgradient; Ozeanmodell
Thermohaline Circulation; driving mechanism; mixing parameterization; ocean model; pressure gradient
GND Keyword:Thermohaline Zirkulation; Parametrisierung; Vermischung; Atlantischer Ozean
RVK - Regensburg Classification:RB 10414
RVK - Regensburg Classification:TI 02600
RVK - Regensburg Classification:UT 3000
RVK - Regensburg Classification:UT 1080
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik