The North Atlantic Deep Western Boundary Current : seasonal cycle, decadal variability and relation to the Atlantic Meridional Overturning Circulation

Abstract

Despite its importance for the climate system, the natural variability of the Atlantic meridional overturning (AMOC) and its deep western return flow, the Deep Western Boundary Current (DWBC), is still not well understood. Observations of the AMOC or the DWBC exist at single latitudes and are usually limited to a few years, complicating the description of the seasonal cycle and the decadal variability. Also, it is not clear whether observations at one latitude are representative of the variability at other latitudes. Here, I first compare results from a high-resolution ocean model with observations of both scalar quantities and integrated transports to obtain the simulated DWBC. Second, I investigate the meridional coherence of the seasonal cycle and the decadal variability of the DWBC, and compare it to the AMOC's.

I find that the DWBC has a robust seasonal cycle, which is closely related to the local wind stress curl variability. As a result, the DWBC shows a coherent seasonal cycle throughout both the subtropical and the subpolar gyre, but not across the gyre boundary. The modeled AMOC seasonal cycle, however, is coherent throughout the entire North Atlantic, but is 180-degree out-of-phase between the two available observational estimates.

On decadal timescales, the DWBC's variability is also dominated by the local wind stress curl. This implies that the DWBC and the AMOC show opposing behavior if the western boundary and basin interior wind stress curl anomalies are of opposite sign.

My results suggest that both the AMOC and the DWBC at one latitude are representative of the variability of the same quantity over a wide range of adjacent latitudes. AMOC and DWBC may -- under certain conditions -- be used as a proxy for one another: On seasonal timescales, the DWBC variability itself might be inferred from satellite observations, particularly in the subtropical North Atlantic. For an observational estimate of the seasonal AMOC variability, the thus-obtained DWBC would have to be combined with an estimate of the upper-ocean variability (for example from ARGO data). On decadal timescales, observations of the DWBC could only be used as a proxy for the AMOC variability if the boundary and basin-wide wind stress curl are in phase.

Obwohl die atlantische meridionale Umwälzbewegung (AMOC) und der tiefe westliche Randstrom (DWBC) große Bedeutung für das Klimasystem haben, ist ihre natürliche Variabilität noch unzureichend verstanden. Beobachtungen der AMOC oder des DWBC existieren nur an einzelnen Breiten und sind in der Regel auf wenige Jahre beschränkt. Dies erschwert die Beschreibung des Jahresgangs und der dekadischen Variabilität. Außerdem ist nicht klar, ob Beobachtungen an einem Breitengrad stellvertretend für die Variabilität an anderen Breiten sind. Um einen simulierten DWBC zu erhalten, vergleiche ich Ergebnisse eines hochauflösenden Ozeanmodells mit Beobachtungen skalarer Größen und integrierter Transporte. Anschließend untersuche ich die Kohärenz des Jahresgangs und der dekadischen Variabilität des DWBC, und vergleiche sie mit dem Jahresgang und der dekadischen Variabilität der AMOC.

Auf saisonalen Zeitskalen finde ich heraus, dass der DWBC einen robusten Jahresgang aufweist, der eng mit der Rotation des lokalen Windstresses zusammenhängt. Infolgedessen ist der Jahresgang des DWBC sowohl im subtropischen als auch im subpolaren Wirbel kohärent, jedoch nicht über die Grenze zwischen den Wirbeln hinaus. Der Jahresgang der simulierten AMOC ist dagegen kohärent im gesamten Nordatlantik, im Gegensatz zu den beiden Beobachtungszeitreihen, die 180 Grad außer Phase sind.

Auch auf dekadischen Zeitskalen wird die Variabilität des DWBC von der Rotation des lokalen Windstresses bestimmt. Daraus folgt, dass sich der DWBC und die AMOC gegensätzlich verhalten, wenn das Vorzeichen der Rotation des Windstresses am Westrand und im Becken-Inneren nicht übereinstimmen.

Meine Ergebnisse legen nahe, dass sowohl die AMOC als auch der DWBC an einer Breite stellvertrend für die Variabilität derselben Größe über einen weiten Bereich angrenzender Breiten sind. Unter bestimmten Umständen können AMOC und DWBC wechselseitig auseinander abgeleitet werden: Insbesondere im subtropischen Nordatlantik kann die Variabilität des DWBC auf saisonalen Zeitskalen aus Satellitenbeobachtungen gewonnen werden. Um die beobachtete AMOC-Variabilität zu erhalten müsste der auf diese Weise berechnete DWBC dann mit Beobachtungen der Variabilität des oberen Ozeans (beispielsweise aus Argo-Daten) kombiniert werden. Auf dekadischen Zeitskalen kann die Variabilität der AMOC nur aus dem DWBC gewonnen werden, wenn die Rotation des Windstresses am Westrand und im Becken-Inneren übereinstimmen.