On the variability of turbulent mixing within the upper layers of the Atlantic Cold Tongue region

Hummels, Rebecca

Sea surface temperature (SST) variability within the equatorial Atlantic is of climatic relevance for the surrounding continents. A striking feature of this SST variability is the annual appearance of the Atlantic cold tongue (ACT). The respective contributions to the ML heat budget forming the seasonal cycle of SSTs within the ACT could up to date not be clarified. Especially the role of the diapycnal heat flux due to turbulence in cooling SSTs is still controversially discussed. The main focus of this study is to infer regional and seasonal variability of upper ocean turbulent mixing and the inferred diapycnal heat flux within the ACT region using a multi cruise data set of microstructure observations. The assessed varibility of the diapycnal heat flux is then integrated into the ML heat budget within different regions and seasons of the ACT. In addition, the variability in mixing intensity is related to the variability in large scale background conditions, which were additionally observed during the cruises. The observations indicate fundamental differences in background conditions in terms of shear and stratification below the mixed layer (ML) for the western and eastern equatorial as well as the southern ACT region. This leads to the occurrence of critical Froude numbers (Fr), which points towards elevated mixing intensity, most frequently in the western equatorial ACT. The distribution of critical Fr below the ML reflects the regional and seasonal variability of mixing intensity. Turbulent dissipation rates (ε) at the equator (2°N-2°S) are strongly increased in the upper thermocline compared to off-equatorial locations. In addition, ε is elevated in the western equatorial ACT compared to the east from May to November, whereas boreal summer appears as the season of highest mixing intensities throughout the equatorial ACT region, coinciding with ACT development. Diapycnal heat fluxes at the base of the ML in the western equatorial ACT region inferred from ǫ and stratification range from a maximum of 90 W/m² in boreal summer to 40 W/m² in November. In the eastern equatorial ACT region maximum values of about 25 W/m² were estimated during boreal summer. Outside the equatorial region, inferred diapycnal heat fluxes are comparably low rarely exceeding 10 W/m². Critical to the enhanced diapycnal heat flux in the western equatorial ACT region during boreal summer and autumn is elevated meridional velocity shear in the upper thermocline. It is thus suggested that TIWs are crucial contributors to mixing within this region during this time period. Integrating the obtained heat flux estimates in the ML heat budget accentuates the diapycnal heat flux as the largest ML cooling term during boreal summer and early autumn in the entire equatorial ACT region and crucial for decreasing SSTs for ACT development. Within the southern ACT region SST cooling is dominated by atmospheric forcing. Additionally, it is shown that most of the existing parametrization schemes for the equatorial thermocline, which are supposed to estimate the general magnitude of mixing related parameters without cost-intensive observations, tend to overestimate turbulent mixing intensity and the inferred diapycnal heat fluxes within the equatorial ACT region.

Die Variabilität der Meeresoberflächentemperatur (SST) im äquatorialen Atlantik ist von klimatischer Bedeutung für die angrenzenden Kontinente. Ein charakteristisches Merkmal dieser SST Variabilität ist das saisonale Auftreten der atlantischen Kaltwasserzunge (ACT). Die individuellen Beiträge zum Wärmebudget der Deckschicht, das den saisonalen Verlauf der SST bestimmt, konnten bis heute nicht vollständig geklärt werden. Speziell der Beitrag des diapyknischen Wärmeflusses aufgrund von Turbulenz ist noch immer umstritten. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der regionalen und saisonalen Variabilität der turbulenten Vermischung und des resultierenden, diapyknischen Wärmeflusses in den oberen Schichten der ACT Region. Die Basis für diese Untersuchung bildet ein Datensatz von Mikrostrukturbeobachtungen gewonnen während diverser Schiffsreisen in verschiedene Regionen der ACT während unterschiedlicher Jahreszeiten. Die abgeschätzte Variabilität des diapyknischen Wärmeflusses wird dann in das Wärmebudget der Deckschicht integriert. Die daraus bestimmte Variabilität der turbulenten Vermischung wird im Folgenden mit der Variabilität der groß-skaligen Zirkulation in Beziehung gesetzt. Die Beobachtungen der Hintergrundbedingungen in Form der Parameter Scherung und Schichtung unterhalb der Deckschicht lässt fundamentale Unterschiede zwischen der westlichen und östlichen äquatorialen, sowie der südlichen ACT Region erkennen. Dies führt dazu, dass kritische Froude Zahlen (Fr), die ein Indikator für erhöhte Vermischungsintensität sind, am häufigsten in der westlichen äquatorialen ACT Region auftreten. Die Verteilung kritischer Fr Zahlen unterhalb der Deckschicht ist generell in guter Übereinstimmung mit der regionalen und saisonalen Variabilität turbulenter Vermischungsintensität. Dissipationsraten der turbulenten kinetischen Energie (ε) in der äquatorialen Region (2°S-2°N) sind deutlich erhöht verglichen mit polwärtigen Regionen. Außerdem ist ε in der westlichen, äquatorialen ACT Region von Mai bis November höher als im Osten. Die borealen Sommermonate, übereinstimmend mit dem Zeitpunkt des Auftretens der ACT, können als die Saison höchster Vermischungsaktivität innerhalb der gesamten äquatorialen Region identifiziert werden. Diapyknische Wärmeflüsse am Fuße der Deckschicht in der westlichen, äquatorialen ACT Region, abgeleitet aus Beobachtungen von ε und Schichtung, reichen von maximal 90 W/m² im borealen Sommer bis 40 W/m² zu im November. In der östlichen, äquatorialen Region wurden maximal 25 W/m² während des borealen Sommers beobachtet. Außerhalb der äquatorialen Region übersteigen die diapyknischen Wärmeflüsse niemals 10 W/m² . Einen wesentlichen Beitrag zu den hohen Wärmeflüssen in der westlichen, äquatorialen Region vor allem im borealen Sommer und Herbst liefert die meridionale Komponente der Geschwindigkeitsscherung. Es ist deshalb zu vermuten, dass tropische Instabilitätswellen (TIWs), die diese Geschwindigkeitskomponente wesentlich beeinflussen, einen wichtigen Beitrag zur turbulenten Vermischung in dieser Region liefern. Die Integration des abgeschätzten diapyknischen Wärmeflusses in das Wärmebudget der Deckschicht hebt hervor, dass der diapyknische Wärmefluss den größten Beitrag zur Abkühlung im borealen Sommer und Herbst in der gesamten, äquatorialen ACT liefert. Dies betont seine Schlüsselrolle für die Abkühlung während der ACT Entstehung. In der südlichen ACT Region ist das Wärmebudget der Deckschicht hauptsächlich durch atmosphärische Terme bestimmt. Desweitern wird gezeigt, dass existierende Turbulenz-Parametrisierungen für die äquatoriale Region, die eine grobe Abschätzung der relevanten turbulenten Größen ohne kostspielige Messungen ermöglichen sollen, die Vermischungsintensität und die abgeleiteten diapyknischen Wärmeflüsse überschätzen.

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Hummels, Rebecca: On the variability of turbulent mixing within the upper layers of the Atlantic Cold Tongue region.

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