Über die Wassermassentransformation im Europäischen Nordmeer : Prozess-Studien und Budgets

Abstract

Im Arktischen Mittelmeer werden die von Süden einströmenden warmen und salzreichen Atlantischen Wassermassen in kalte und salzärmere, dichte Overflow-Wassermassen transformiert, die in der Tiefe in den Nordatlantik zurückströmen. Ein Großteil der Transformation findet in den eisfreien Gebieten des Europäischen Nordmeers statt. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, welchen Anteil die tiefen Becken des Europäischen Nordmeers an der Gesamttransformation haben.

Seit 2001 werden im Europäischen Nordmeer Messungen zur Hydrographie mit profilierenden Argo-Floats durchgeführt. Der daraus entstandene Datensatz gibt Einblick in die zeitliche Entwicklung der Hydrographie der vier tiefen Becken (Norwegen-Becken, Lofoten-Becken, Grönlandsee und Island-Plateau). In der vorliegenden Arbeit wird der Datensatz dazu benutzt, die Entwicklung der Hydrographie in den tiefen Becken auf saisonalen als auch inter-annualen bis dekadischen Zeitskalen zu beschreiben. In Kombination mit Oberflächenflüssen werden außerdem Wärme- und Süßwasserbudgets für die vier Becken aufgestellt. Diese geben Einblick in die Bedeutung der Becken für die Gesamt-Wassermassentransformation im Arktischen Mittelmeer.

Die Zeitserien zur Hydrographie der Becken sind in den oberen 500 bis 750 m dominiert vom saisonalen Signal mit Amplituden bis zu 2.5°C. Dieses wird mit Hilfe einer harmonischen Analyse von den längerfristigen Signalen separiert. Die genaue Kenntnis des Signals kann zukünftig dazu benutzt werden, historische Daten der Region in Bezug auf langfristige Variabilität zu analysieren. Ohne eine saisonale Korrektur ist die Gefahr des Aliasings bei den vornehmlich aus den Sommermonaten stammenden Daten groß.

Bei einer maximalen Länge der Zeitserien von 11 Jahren lässt sich inter-annuale Variabilität von dekadischer bis multi-dekadischer Variabilität rechnerisch nicht trennen. Die Temperatur- und Salzgehaltsentwicklung in der Grönlandsee und im Norwegen-Becken lassen sich aber im Zusammenhang mit der Propagation von Anomalien in den Eigenschaften des einströmenden Atlantischen Wassers interpretieren, die auch in anderen Untersuchungen analysiert wurden. Außerdem zeigen die Zeitserien der Grönlandsee den Abbau des Intermediären Temperaturmaximums im Beobachtungszeitraum und deutliche inter-annuale Variabilität im Süßwassergehalt der oberflächennahen Schicht (0-50 m), die die Konvektionstiefe des nachfolgenden Winters beeinflusst.

Wärme- und Süßwasserbudgets geben Auskunft über das Zusammenspiel von lateralem Austausch zwischen den Becken und den Randströmen, den Oberflächenflüssen von Wärme und Süßwasser und der Entwicklung im Inneren der Becken. Die Entwicklung des Wärme- und Süßwasserinhalts im Inneren der Becken wird aus den Float-Beobachtungen abgeleitet. Die Oberflächenflüsse werden einem korrigierten NCEP-Datensatz entnommen. Dieser Datensatz war nach eingehender Prüfung als der realitätsnahste ausgewählt worden. Der laterale Austausch zwischen den Becken und den Randströmen wird als Residuum aus den beiden anderen Komponenten berechnet und kann mit dem Beitrag der Becken zur Gesamtwassermassentransformation identifiziert werden.

Wichtigstes Ergebnis der Kalkulationen ist, dass mehr Wärme in die Becken unterhalb von 50 m lateral eingetragen wird, als sie an ihrer Oberfläche an die Atmosphäre abgegeben, da sie außerdem in der oberflächennahen Schicht Wärme lateral abgeben. Außerdem wird deutlich mehr Süßwasser in die Becken in der oberflächennahen Schicht lateral eingetragen als durch Oberflächenflüsse. Das bedeutet, die Wassermassentransformation innerhalb der Becken wird unterschätzt, wenn man nur die Oberflächenflüsse betrachtet.

Die vier Becken tragen zur Gesamtwassermassentransformation im Arktischen Mittelmeer 17% in Bezug auf den Wärmeinhalt und 7% in Bezug auf den Süßwasserinhalt bei, obwohl sie nur eine Fläche von 4% innerhalb des Arktischen Mittelmeers einnehmen. Dabei ist der Beitrag der östlichen Becken größer als derjenige der westlichen Becken. Der im Zuge der Klimaänderungen erwartete zusätzliche Eintrag von Süßwasser in die Region würde aber vorrangig die Transformation im Westen beeinflussen. So ist eine Abschwächung aber kein Zusammenbruch der Wassermassentransformation im Europäischen Nordmeer zu erwarten, was auch eine Abschwächung der Atlantischen Umwälzzirkulation zur Folge haben könnte.

Betrachtet man die Transformation innerhalb des Europäischen Nordmeers, so zeigt sich, dass den tiefen Becken eine entscheidende Bedeutung zufällt. Obwohl sie nur ein Fünftel der Gesamtfläche einnehmen, tragen sie 40% zur Transformation im gesamten Europäischen Nordmeer bei.

Within the Arctic Mediterranean the inflowing warm and saline Atlantic Waters are transformed into cold and relatively fresh, dense overflow waters, which flow back into the North Atlantic at depth. The major part of the transformation takes place in the ice-free areas of the Nordic Seas. This investigation examines the contribution of the deep basins in the Nordic Seas to the overall transformation.

Since 2001 hydrographic measurements with profiling floats were conducted in the Nordic Seas. This data set provides insight into the temporal development of the hydrography in the four deep basins (Norwegian Basin, Lofoten Basin, Greenland Sea and Icelandic Plateau). In the study on hand the data are used to describe the variability of the hydrography on seasonal and inter-annual to decadal time scales. In combination with sea surface flux data heat and freshwater budgets for the basins are established. Based on the budgets the relative importance of the deep basins for the water mass transformation is estimated.

Time series of temperature and salinity for the basins are dominated by the seasonal signal in the upper 500 to 750 m. Amplitudes are up to 2.5°C. A harmonic analysis is used to separate it from the signals on longer time scales. The detailed knowledge of the seasonal signal can be used for the analysis of longer-term variability on the basis of historical data. Without a seasonal correction there is a risk of misinterpretation due to aliasing, because data were mainly taken in the summer month.

With a maximum total length of the time series of 11 years the separation of inter-annual and decadal variability is mathematically not possible. However the temperature and salinity development in the Greenland Sea and the Norwegian Basin is interpreted in relation to the propagation of decadal to multi-decadal anomalies in the properties of the inflowing Atlantic water around the Nordic Seas, which was analyzed in other studies. Furthermore the time series from the Greenland Sea demonstrate the decay of the intermediate temperature maximum in the time span of float-observations and the inter-annual variability of the near-surface (0-50m) freshwater content, which in turn influences the convection depth in the following winter.

Heat and freshwater budgets give insight into the interplay of lateral exchange between the basins and the boundary currents, the sea-surface heat and freshwater fluxes and the development of heat and freshwater content inside the basins. The development inside the basins is derived from the float-observations. Surface fluxes are taken from a corrected NCEP data set. The data set was selected in a detailed examination as the most realistic one. The lateral exchange is given by the residuum of the two other components and is identified with the contribution of the basins to the total transformation.

The most striking result is that more heat is imported laterally into the basins below 50 m than the basins release back to the atmosphere, because they additionally release heat laterally in the near-surface layer. Furthermore the basins gain more freshwater laterally in the near-surface layer than from the atmosphere. That means the water mass transformation is underestimated when taking only surface fluxes into account.

The four basins contribute 17% to the total water mass transformation of the Arctic Mediterranean in terms of heat and 7% in terms of freshwater although they account for only 4% of the total area of the Arctic Mediterranean. Within the Nordic Seas the contribution from the eastern basins is most important. Increasing input of freshwater, caused by climate change, will foremost influence the transformation in the west. Therefore a future decrease, but no break-down, of the transformation seems realistic, which may result in a slow-down of the Atlantic Meridional Overturning Circulation.

In relation to examinations of the transformation in the whole Nordic Seas it becomes obvious, that the deep basins are particularly important. Although they account for only one fifth of the total area they contribute 40% to the total transformation in the Nordic Seas.