Annual to interannual equatorial Atlantic variability : mechanisms and tropical impacts

Ding, Hui

In this thesis, I investigate the annual to interannual variability in the equatorial Atlantic and its impacts on other tropical oceans. There are three parts to this work. The first part (chapter 2) is to understand the seasonal cycle of ocean dynamics, which has been published in 2009. The second part (chapter 3) is to understand the mechanisms of interannual variability in the equatorial Atlantic, which is mainly associated with Atlantic zonal mode. This part has been accepted recently for publication and is in press. The last part (chapter 4) investigates the influence of Atlantic zonal mode on El Niño Southern Oscillation in a coupled climate model. This work will be submitted for publication. In chapter 2, the dynamics of the seasonal cycle in the upper equatorial Atlantic ocean are studied using observations and a hierarchy of ocean models. Distinctive features of the seasonal cycle are strong annual and semi-annual components; eastward (westward) propagating sea surface height (SSH) and thermocline depth at the equator (off the equator); and westward propagating surface zonal currents at the equator. Modelling results show that linear theory can explain the seasonal cycle in thermocline depth and SSH. While to first order linear theory can also explain the structure of the seasonal cycle of surface zonal currents at the equator, nonlinear terms are required. The linear solution is essentially determined by the four gravest baroclinic modes, and Kelvin and first meridional mode Rossby waves. The semi-annual cycle in zonal winds although much weaker than the annual component forces a strong semi-annual component in SSH and surface zonal currents, because it excites the basin mode of the second baroclinc mode. The second part of the thesis investigates the dynamics of the Atlantic zonal mode using observed sea surface height (SSH), sea surface temperature (SST), and heat flux and reanalysis wind stress and upper ocean temperature. Principal oscillation pattern (POP) analysis shows that the zonal mode is an oscillatory normal-mode of the observed coupled system, obeying the delayed-action/recharge oscillator paradigm for ENSO. Net surface heat flux anomalies generally act to damp SST anomalies. The zonal mode explains a large amount (70%) of SST variability in the east and a significant fraction (19%) of equatorial variability. Thus, the predictability potential in the Equatorial Atlantic on seasonal time scales may be considerably higher than currently thought. In the third part, a coupled climate model is employed to investigate the influence of Atlantic zonal mode on ENSO in the Pacific. Five ensemble member simulations forced with observed sea surface temperature in the Tropical Atlantic, but with full air-sea coupling allowed elsewhere, were performed for the period 1950-2005. Model results show that a warm phase of Atlantic zonal mode during boreal summer favours the development of a La Niña event during the boreal winter and vice versa. A warm SST anomaly in the Atlantic affects the Walker Circulation with anomalous rising and subsiding motions in the Tropical Atlantic and eastern Tropical Pacific, respectively. This causes an easterly anomaly to the west of subsiding region in the Pacific that is amplified by the Bjerknes positive feedback, favouring the following development of a La Niña event. In general, the coupled model has revealed the same mechanisms of how Atlantic zonal mode influence ENSO as found in observations and reanalysis. This is the first convincing evidence from a model for the existence of a physically robust influence of the Atlantic Zonal mode on Pacific interannual variability.

Gegenstand dieser Arbeit ist die saisonale bis mehrjährige Variabilität des äquatorialen Atlantiks und deren Auswirkung auf die anderen tropischen Ozeane. Die Arbeit besteht aus drei Teilen. Der erste Teil (Kapitel 2) dient dem Verständnis des Jahresgangs der dynamischen Prozesse im Ozean (2009 veröffentlicht). Im zweiten Teil werden die Mechanismen zwischenjährlicher Variabilität im äquatorialen Atlantik untersucht, die vor allem den sogenannten Atlantic Zonal Mode betreffen. Der Publikation dieses Abschnitts wurde gerade zugestimmt; der Artikel erscheint in den kommenden Wochen. Der letzte Teil der Arbeit (Kapitel 4) zeigt den Einfluss des „Atlantic Zonal Mode’s“ auf ENSO (El Niño Southern Oscillation) in einem gekoppelten Klimamodell. Diese Arbeit wird in Kürze zur Veröffentlichung eingereicht. Im ersten Teil der Arbeit werden auf Grundlage von Beobachtungen und Ozeanmodellen unterschiedlicher Komplexität die Dynamik des Jahresgangs im oberen äquatorialen Atlantischen Ozean untersucht. Besonders ausgeprägt sind jährliche und halbjährliche Fluktuationen im jahreszeitlichen Zyklus; zum einen die ostwärts (bzw. westwärts) gerichtete Ausbreitung der Meeresspiegelhöhe SSH (Sea Surface Height) sowie die Tiefe der Thermokline am Äquator (bzw. neben dem Äquator) und zum anderen die nach Westen gerichtete zonale Oberflächenströmung am Äquator. Die Modellergebnisse bestätigen, dass man den saisonalen Zyklus von Thermoklinen-Tiefe und SSH mittels linearer Theorie erklären kann. Ebenso kann die Struktur der jahreszeitlichen Variabilität der Oberflächenströmung am Äquator mittels linearer Theorie abgeschätzt werden; zu deren genauerer Bestimmung sind zusätzliche nichtlineare Therme nötig. Die lineare Lösung wird maßgeblich durch die vier Modes der Baroklinität im Ozean, sowie der Kelvin-Welle und den ersten meridionalen Mode der Rossby-Wellen bestimmt. Der halbjährliche Zyklus zonaler Winde verstärkt die (ebenso halbjährlichen) Komponenten von SSH und zonaler Oberflächenströmung mehr als der eigentlich stärker ausgeprägte ganzjährliche Zyklus, denn er vergrößert den Einfluss des zweiten baroklinen Modes. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Dynamik des Atlantic Zonal Modes unter Berücksichtigung von Beobachtungsdaten der Wasseroberflächenhöhe (SSH), der Oberflächentemperatur (SST – Sea Surface Temperature) und des Wärmeflusses, sowie Re-Analyse Daten des Wind-Stresses und des Temperaturprofils im oberen Ozean. Die Analyse der „Principle Oscillation Patterns“ POPs zeigt, dass der zonale Modus einer Normalschwingung des beobachteten gekoppelten Systems entspricht, wenn man die gängigen ENSO-Theorien zugrunde legt (recharge oscillator paradigm for ENSO). Die Gesamt-Anomalien des Oberflächen-Wärmeflusses dämpfen im Allgemeinen die SST-Anomalien. Der zonale Modus erklärt einen Großteil der SST-Variabilität im Osten (70 %) und einen signifikanten Anteil an äquatorialer Variabilität (19 %). Das Potential für die Vorhersagbarkeit des Zustands des äquatorialen Atlantiks muss damit viel höher bewertet werden als bisher angenommen. Im letzten Abschnitt wird ein gekoppeltes Klimamodell eingesetzt, um den Einfluss des Atlantic Zonal Modes auf ENSO im Pazifik zu untersuchen. Dazu werden fünf Modell-Konfigurationen für den Zeitraum 1950-2005 miteinander verglichen. Beobachtungsdaten der Oberflächentemperatur im tropischen Atlantik dienen als Antrieb in den Simulationen; außerhalb des tropischen Atlantiks ist eine vollständige Atmosphären-Ozean-Kopplung gegeben. Die Simulationsergebnisse belegen eine Begünstigung der Entwicklung von La Niña Ereignissen während des borealen Winters aufgrund einer Warmphase des Atlantic Zonal Modes im borealen Sommer und umgekehrt. Eine warme SST-Anomalie im Atlantik beeinflusst die Walker-Zirkulation mit entsprechend anomalen aufwärts- und abwärts Bewegungen im tropischen Atlantik bzw. im östlichen tropischen Pazifik. Das verursacht eine Wind-Anomalie (easterly anomaly) im westlichen Pazifik, die durch das Bjerknes Positiv-Feedback verstärkt wird und die Entwicklung des kommenden La Niña Ereignisses begünstigt. Das gekoppelte Modell zeigt prinzipiell die gleichen Mechanismen einer ENSO-Beeinflussung durch Atlantik Niño, wie sie bei Beobachtungen und Re-Analyse-Daten gefunden wurden. Damit ist der erste überzeugende Beweis für die Existenz eines Einflusses des Atlantic Zonal Modes auf die zwischenjährliche Variabilität im Pazifikerbracht worden.

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Ding, Hui: Annual to interannual equatorial Atlantic variability : mechanisms and tropical impacts.

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