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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-67379
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6737/


Ageostrophic effects on large scale circulation, eddy mixing and dissipation in the ocean

Ageostrophische Effekte auf die großskalige Zirkulation, Vermischung durch Wirbel und Dissipation im Ozean

Brüggemann, Nils

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Meereskunde , Zirkulation , Vermischung , Dissipation
Freie Schlagwörter (Deutsch): ageostrophisch
Freie Schlagwörter (Englisch): oceanography , circulation , eddy mixing , dissipation , ageostrophic
Basisklassifikation: 38.90
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Eden, Carsten (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 24.01.2014
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 15.05.2014
Kurzfassung auf Englisch: This thesis aims to provide a better understanding of the role of ageostrophic processes in ocean dynamics by analyzing three different case studies - the large-scale circulation, the mixing of eddies in the upper ocean and the ability of ageostrophic dynamics to feature a direct route to dissipation. Furthermore, it examines to which extent parameterizations can yield adequate simplifications of the more complex ageostrophic phenomena.

The first case study concerns zonally averaged models of the large-scale meridional overturning circulation. Ageostrophic processes need to be considered here to correctly describe the dynamics in western boundary currents, while the interior ocean can be described by a geostrophic balance. Both, interior geostrophic and ageostrophic dynamics in the western boundary current need to be considered for the zonally averaged flow. It is illustrated that many zonally averaged models which do not consider both regimes show dynamical inconsistencies in comparison with zonally resolved models. A new parameterization for the zonally averaged flow is developed, in which both dynamical regimes are directly represented and which does not suffer from those inconsistencies. Zonally resolved models show good agreement with the new zonally averaged model, demonstrating that the new parameterization is dynamically consistent.

The second case study deals with the mixing of eddies in the upper ocean. Since the stratification is often weak within the mixed layer, ageostrophic processes are likely to occur here. Two parameterizations for the eddy mixing are compared, which especially take ageostrophic dynamics into account. The first is based on linear stability analysis while the second is based on a scaling of the potential energy release. Numerical simulations for a wide range of dynamical conditions are used to diagnose the ability of these parameterizations to predict the mixing effect of the eddies. It turns out that the mean difference between both parameterizations and the diagnosed eddy fluxes is less than a factor of two. While the parameterization based on linear stability analysis performs slightly better in an equilibrated forced-dissipative flow scenario, the parameterization based on the scaling of the potential energy release performs better in a scenario of a re-stratifying density front. In addition it is found that the vertical structure of the eddy fluxes is better described by the former in both scenarios.

The third case study investigates the role of ageostrophic dynamics for kinetic energy dissipation. Numerical simulations for a wide range of different dynamical conditions characterized by their Richardson number are used to diagnose the energy flux in wavenumber space. It is found that quasi-geostrophic dynamics feature an upscale kinetic energy flux while kinetic energy is transferred towards smaller scales for ageostrophic dynamics. Horizontal divergent velocities evolving under ageostrophic conditions can be identified to be responsible for the downscale flux. An important consequence is that the small-scale dissipation is larger in the presence of ageostrophic dynamics. To quantify the effect of ageostrophic dynamics on the small-scale dissipation, its dependency on the Richardson number is investigated and a power law relating the energy dissipation with the Richardson number is estimated.
Kurzfassung auf Deutsch: Die im Zuge dieser Doktorarbeit angefertigten Studien sollen zu einem besseren Verständnis des Einflusses ageostrophischer Prozesse auf die Ozeandynamik beitragen. Dazu werden drei unterschiedliche Fallstudien betrachtet - die großskalige Zirkulation, durch Wirbel induzierte Vermischungsprozesse innerhalb der Deckschicht des Ozeans sowie die Rolle ageostrophischer Dynamik hinsichtlich der Ermöglichung eines direkten Weges zur Energiedissipation. Des Weiteren wird untersucht, in wie weit es möglich ist, die komplexe ageostrophische Dynamik mittels Parametrisierungen zu vereinfachen.

In der ersten Fallstudie werden zonal gemittelte Modelle der großskaligen meridionalen Umwelzbewegung untersucht. Während die Dynamik im Inneren des Ozeans mittels einer geostrophischen Balance beschrieben werden kann, sind für eine korrekte Beschreibung des westlichen Randstromes ageostrophische Prozesse zu berücksichtigen. Hinsichtlich zonal gemittelter Modelle ist es von entscheidender Bedeutung, dass beide dynamischen Regime, sowohl der innere Ozean als auch der westliche Randstrom, angemessen repräsentiert werden. Es wird gezeigt, dass Modelle, die keine angemessene Berücksichtigung beider Regime beinhalten, dynamische Inkonsistenzen aufweisen. In dieser Arbeit wird daher eine neue Parameterisierung für den zonal gemittelten Transport entwickelt, in der beide dynamischen Regime berücksichtigt werden und die daher keine dynamischen Inkonsistenzen aufweist. Die dynamische Konsistenz der neuen Parametrisierung kann aus einer guten Übereinstimmung zwischen einem zonal aufgelösten und dem neu entwickelten zonal gemittelten Model geschlossen werden.

Die zweite Fallstudie beschäftigt sich mit der Vermischung von Wirbeln innerhalb der Deckschicht des Ozeans. Eine schwache Stratifizierung der Deckschicht hat zur Folge, dass ageostrophische Prozesse innerhalb der Deckschicht eine große Rolle spielen. Zwei Parametrisierungen werden untersucht, die explizit diese ageostrophischen Prozesse berücksichtigen. Die erste Parametrisierung basiert auf einer linearen Stabilitätsanalyse, während der zweiten eine Skalierung der potentiellen Energiebilanz zu Grunde liegt. Die Fähigkeit beider Parametrisierungen, den Vermischungseffekt dieser Wirbel zu diagnostizieren wird mittels numerischer Simulationen für eine Vielzahl verschiedener dynamischer Bedingungen untersucht. Ein wichtiges Resultat dieser Untersuchungen ist, dass sich die parametrisierten Wirbelflüsse im Mittel nicht weniger als um einen Faktor zwei von den diagnostizierten Wirbelflüssen unterscheiden. Für ein Szenario einer sich im Gleichgewicht befindlichen Strömung schneidet dabei die Parametrisierung, die auf der linearen Stabilitätsanalyse basiert, ein wenig besser ab. Im Gegensatz dazu schneidet die Parametrisierung, die auf der Skalierung der potentiellen Energiebilanz basiert, in einem Szenario einer sich restratifizierenden Dichtefront besser ab. In beiden Szenarien wird die vertikale Struktur der Wirbelflüsse besser von der auf der linearen Stabilitätsanalyse basierenden Parametrisierung wiedergegeben.

Die dritte Fallstudie untersucht den Einfluss von ageostrophischer Dynamik auf die kinetische Energiedissipation. Numerische Simulationen für eine Vielzahl von dynamischen Bedingungen, charakterisiert durch ihre Richardson-Zahl, werden benutzt, um den Energiefluss im Wellenzahlraum zu diagnostizieren. Die Untersuchungen zeigen, dass in der Gegenwart quasi-geostrophischer Dynamik ein Fluss der kinetischen Energie hin zu großen Skalen erfolgt. Im Gegensatz bewirken ageostrophische Prozesse einen kinetischen Energiefluss zu kleineren Skalen. Horizontal divergente Geschwindigkeiten, welche sich unter ageostrophischen Bedingungen entwickeln, sind verantwortlich für diesen Fluss zu kleineren Skalen. Eine wichtige Konsequenz ist, dass die Energiedissipation auf kleinen Skalen in der Gegenwart von ageostrophischen Prozessen stärker ist. Um den Effekt der ageostrophischen Dynamik auf die Energiedissipation zu quantifizieren, wird die Abhängigkeit der Energiedissipation von der Richardson-Zahl untersucht und ein Potenzgesetz abgeschätzt, welches die Abhängigkeit der kleinskaligen Energiedissipation von der Richardson-Zahl beschreibt.

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