Eddy-driven transports in the Antarctic Circumpolar Current system

Viebahn, Jan

This PhD thesis consists of three research papers. The first research paper addresses crucial issues of the present climate change debate, namely the response of the meridional overturning circulation (MOC) of the Southern Ocean (SO) to decadal-scale trends in wind stress forcing, and the ability of up-to-date meso-scale eddy parameterisations to represent the corresponding changes in the eddy field in climate models. The results show that it is indispensable to incorporate the correct sensitivity of eddy field into climate models in order to reproduce the correct sensitivity of the MOC to wind stress and that up-to-date meso-scale eddy parameterisations are only partially successful. The second and third research papers are guided by a more conceptual perspective and focus on one of the most common diagnostics of the MOC: the concept of the MOC streamfunction. The second research paper clarifies the question: Is it possible to define a MOC streamfunction completely void of standing eddies? It is shown that the construction of a MOC streamfunction with an exactly vanishing standing eddy part has to be performed by zonal integration along depth-dependent horizontal isolines of time-mean density. The third research paper considers the two most common approaches to calculating MOC streamfunctions directly in Eulerian space, i.e. the series expansion of the residual-mean eddy streamfunction and the series expansion of the quasi-Stokes streamfunction, and discusses their limitations.

Diese Dissertation besteht aus drei Forschungsartikeln. Der erste Forschungsartikel behandelt entscheidende Fragen der gegenwärtigen Klimawandel-Diskussion: Wie reagiert die meridionale Umwälzzirkulation (MOC) des Südlichen Ozeans (SO) auf dekadisch-skalige Trends im Windstress-Antrieb? Inwieweit ist es den gegenwärtigen Parameterisierungen von meso-skaligen Wirbeln möglich, die entsprechenden Veränderungen im Wirbelfeld in Klimamodellen wiederzugeben? Die Ergebnisse zeigen: Um die richtige Abhängigkeit der MOC vom Windstress zu reproduzieren, ist es notwendig, die korrekte Sensitivität des Wirbelfeldes in Klimamodelle einzubeziehen. Den aktuellen Parameterisierungen von meso-skaligen Wirbeln gelingt dies jedoch nur ansatzweise. Die Forschungsartikel zwei und drei stehen in einer konzeptionelleren Perspektive und konzentrieren sich auf eine der verbreitetsten Diagnostiken der MOC: das Konzept der MOC Stromfunktion. Der zweite Forschungsartikel klärt die Frage: Ist es möglich, eine MOC Stromfunktion zu definieren, welche gänzlich frei von stehenden Wirbeln ist? Es wird gezeigt, dass eine MOC Stromfunktion mit einem exakt verschwindenden stehenden Wirbel-Anteil dadurch erhalten wird, dass die zonale Integration entlang von tiefenabhängigen horizontalen Isolinien der zeitlich gemittelten Dichte ausgeführt wird. Im dritten Forschungsartikel werden die zwei gebräuchlichsten Ansätze zur Berechnung von MOC Stromfunktionen direkt im Euler-Raum - die Reihenentwicklung der residuellen Wirbelstromfunktion und die Reihenentwicklung der quasi-Stokes Stromfunktion - betrachtet und deren Grenzen aufgezeigt.

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Viebahn, Jan: Eddy-driven transports in the Antarctic Circumpolar Current system.

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