Circulation and exchanges at high-latitude ocean margins : dynamical models and observations from instrumented seals

Circulation and exchange processes at high-latitude ocean margins are investigated in this thesis, by using analytical models, numerical simulations and hydrographic data. In the Northern Hemisphere, the establishment of Atlantic Water transport as a topographically steered slope current has been investigated. A simplified analytical model based on geostrophic balance predicts that buoyancy loss over a sloping boundary leads to a cross-slope baroclinic flow transformed into an along-slope barotropic flow. And the resulting transport changes can be estimated from hydrographic data. Over the continental slope off Scotland, the diagnosed transport changes in the barotropic flow is in agreement with the observed transport changes. The results emphasize that geostrophy can be used to diagnose topographically steered barotropic flow, which makes it especially useful for high latitudes where topographic steering of ocean circulation is strong. In the Eastern Weddell Sea in the Atlantic Sector of Antarctica, the processes controlling the exchanges of water masses over the continental slope have been studied, by taking advantage of over 11,000 hydrographic profiles collected by instrumented seals in this region from February to November 2008. The proposed mechanism, that the wind-driven downwelling is responsible for the accumulation of Antarctic Surface Water near the ice front and its further spreading beneath the ice shelf along the coast of Eastern Weddell Sea, is revisited by a combination of detailed analysis of the data collected by the seals, an analytical model and numerical simulations. The results show that the Antarctic Surface Water enters the ice shelf cavity after being brought on-shore by wind-driven surface Ekman transport, and being spread below the depth of the ice base within a regime of coastal downwelling. The results also suggest a complex picture of water mass exchange processes along the coast of Eastern Weddell Sea, in which mesoscale eddies play a central role. Finally, the data collected by the seals are employed to evaluate the performance of a global coupled ocean-ice model incorporated with a parametrization of wave-induced mixing in simulating the upper ocean properties in the Southern Ocean. The results suggest that wave-induced mixing is important to modify the upper ocean properties. Since coastal water properties in the Eastern Weddell Sea are mainly determined by the onshore Ekman transport of surface waters, the wave-induced mixing also plays a role in preconditioning the coastal water masses in this region. I dette arbeidet er sirkulasjon og blandingsmekanismer i havområder på høge breddegrader undersøkt ved bruk av analytiske modeller, numeriske simuleringer og havobservasjoner. På den nordlige halvkulen er det undersøkt hvordan transport av Atlanterhavsvann etablerer seg som en topografisk styrt strøm langs kontinentalsokkelskråningen. En forenklet analytisk modell basert på geostrofisk balanse kan forklare hvordan varmetap i vannet som strømmer langs en skrånende bunn fører til en baroklin strøm på tvers av skråningen som igjen blir transformert til en barotrop strøm langs den skrånende bunnen. Denne transportendringen kan man beregne fra hydrografiske data. En slik beregnet transportendring over kontinentalsokkelskråningen vest for Skotland stemmer godt overens med observert transportendring i denne regionen. Resultatene understreker at geostrofi kan bli brukt til å diagnostisere topografisk styrte strømmer, noe som gjør teorien spesielt egnet for å studere oseanografi på høge breddegrader der topografisk styring av strømmene er mest tydelig. I det østlige Weddellhavet, i den atlantiske sektoren av Antarktis, har prosessene som styrer vannmasseutvekslingen på tvers av kontinentalsokkelskråningen blitt undersøkt ved å ta i bruk mer enn 11.000 havprofiler som er blitt samlet inn av seler i denne regionen fra februar til november 2008. Selene var utsyrt med temperatur-, salt- og dybde-loggere. Den foreslåtte mekanismen at vind-drevet nedstrømning er ansvarlig for oppsamling av antarktisk overflatevann nær isbremmen og for dens videre spredning under den flytende isbremmen langs kysten av den østlige Weddellhavet, er testet ved hjelp av en kombinasjon av detaljerte dataanalyser av observasjonene som ble samlet inn av selene, en analytisk modell og numeriske simuleringer. Resultatene viser at det antarktiske overflatevannet entrer hulområdet under isbremmen etter at det er blitt fraktet mot isbremmen som Ekman-transport i overflaten. Spredningen på undersiden av den flytende isbremmen kan forklares ved hjelp av samme mekanisme som nedstrømning langs en kyst. Resultatene tyder også på at vannmasseutvekslingen langs kysten av det østlige Weddellhavet er sammensatt av flere prosesser der virvler av mesoskala størrelse spiller en sentral rolle. Til slutt er dataene som ble samlet inn av selene blitt brukt til å evaluere en global hav-is-modell som har innebygget en parameterisering av bølgedrevet blanding i Sørhavet. Resultatene indikerer at bølgedrevet blanding er viktig for å modifisere hva de øvre vannmassene i Sørhavet er sammensatt av. Siden sammensetningen i kystvann i det østlige Weddellhavet er hovedsakelig bestemt av Ekmantransport inn mot kysten, vil bølgedrevet blanding også spille en rolle når det gjelder å danne kystvannmassene i denne regionen.

PMID: 9788282361200 Publication Title: Universitetet i Tromsø, Fakultet for naturvitenskap og teknologi Volume: Ph.D. Issue: DOKTOR-004