Oceanic internal gravity waves and turbulent mixing : observations and parameterizations

Abstract

Small-scale turbulent mixing affects large-scale ocean processes such as the global overturning circulation but remains unresolved in ocean models. Since the breaking of internal gravity waves is a major source of this mixing, consistent parameterizations take internal wave energetics into account. The model IDEMIX (“Internal Wave Dissipation, Energy and Mixing”) predicts the internal wave energy, dissipation rates and diapycnal diffusivites based on a simplification of the spectral radiation balance of the wave field and can be used as a mixing module in global numerical simulations. In this thesis, it is evaluated against finestructure estimates of turbulent dissipation rates derived from Argo float observations. In addition, a novel method to compute internal gravity wave energy from finescale strain information alone is presented and applied. IDEMIX well reproduces the magnitude and the large-scale variations of the Argo-derived dissipation rate and energy level estimates. Deficiencies arise with respect to the detailed vertical structure or the spatial extent of mixing hotspots. This points toward the need to improve the forcing functions in IDEMIX, both by implementing additional physical detail and by better constraining the processes already included in the model. As a first step, a new semi-analytical method to describe the internal wave forcing by the interaction of the barotropic tide with rough bottom topography is presented. It is based on linear theory for variable stratification and finite depth, that is, it computes the energy flux into the different vertical modes for subcritical topography and small tidal excursion. In contrast to earlier semi-analytic approaches, the new one computes for the first time not only the magnitude but also the direction of this energy transfer and gives a positive definite conversion field. Sensitivity studies using both idealized and realistic topography allow the identification of suitable numerical parameter settings and corroborate the accuracy of the method. This motivates the application to the global ocean in order to better account for the geographical distribution of diapycnal mixing induced by low mode internal gravity waves, which can propagate over large distances before breaking. The first results highlight the significant differences of energy flux magnitudes with direction, confirming the relevance of this moredetailed approach for energetically consistent mixing parameterizations in ocean models.

Kleinskalige turbulente Vermischung beeinflusst großskalige Ozeanprozesse wie die globale Umwälzzirkulation, wird aber in Ozeanmodellen nicht aufgelöst. Da das Brechen interner Schwerewellen eine wichtige Ursache für diese Vermischung darstellt, basieren konsistente Parametrisierungen auf der Energetik der internen Wellen. Das Modell IDEMIX (Interne-Wellen-Dissipation, -Energie und Vermischung’’) prognostiziert ausgehend von einer vereinfachten Form der spektralen Energiebilanzgleichung die Energie der internen Wellen, deren Dissipationsraten und die diapyknischen Diffusivitäten und kann als Vermischungsmodul in numerischen Simulationen genutzt werden. In dieser Dissertation wird es gegen Feinstrukturabschätzungen der turbulenten Dissipationsraten, die von Argo-float-Beobachtungen stammen, evaluiert. Zusätzlich wird eine neue Methode zur Berechnung der Wellenenergie aus isopyknischer Deformation allein vorgestellt und angewandt. IDEMIX kann die Größenordnung und die großskaligen Variationen der Argo-Dissipationsraten und -energien gut reproduzieren. Schwachstellen sind vor allem in Bezug auf die detaillierte Vertikalstruktur oder die räumliche Ausdehnung von Gebieten hoher Dissipationsraten und Energien zu erkennen. Dies deutet auf die Notwendigkeit, die Antriebsfunktionen in IDEMIX zuverbessen, hin — sowohl durch die Implementierung zusätzlicher physikalischer Details als auch durch die verbesserte Beschreibung von Prozessen, die bereits im Modell enthalten sind. Als ein erster Schritt wird eine neue, semi-analytische Methode vorgestellt, die den Energieeintrag in das interne Wellenfeld durch die Interaktion der barotropen Gezeiten mit dem rauen Meeresboden beschreibt. Sie basiert auf linearer Theorie für variable Schichtung und endliche Tiefe, das heißt, sie berechnet den Energiefluss in die verschiedenen Vertikalmoden für subkritische Topographie und eine kleine Tidenauslenkung. Im Gegensatz zu früheren semi-analytischen Ansätzen bestimmt die neue Methode nicht nur den Betrag, sondern auch die Richtung dieses Energietransfers and errechnet ausschließlich positiv definite Übertragungsraten. Sensitivitätsstudien mit idealisierter und realistischer Topographie dienen zur Festlegung geeigneter numerischer Parameter und bestätigen die Qualität der Methode. Dies motiviert ihre Anwendung auf globalen Skalen um die geographische Verteilung der diapyknischen Vermischung, die durch die kleinen Moden der internen Wellen - jene Wellen, die sich über große Distanzen ausbreiten, bevor sie brechen - hervorgerufen wird, genauer zu beschreiben. Die ersten Resultaten unterstreichen die deutlichen Unterschiede des Energieflusses in die verschiedenen Richtungen und bestätigen damit die Relevanz dieses detaillierteren Ansatzes für energetisch konsistente Vermischungsparametrisierungen in Ozeanmodellen.