The Influence of Ocean-Surface-Velocity-Dependent Wind Stress on the Dynamics of the Southern Ocean: the Near-Inertial and the Sub-Inertial Response

Rath, Willi

This thesis examines the consequences of the ocean-surface-velocity dependence of the wind stress (SVD) for the dynamics of the Southern Ocean. It does so by comparing the output from eddying ocean-model experiments that only differ in the way the wind stress is parameterized. The thesis consists of three separate research papers. The first paper assesses the influence of SVD on the near-inertial variability. It is shown that SVD leads to a substantial reduction of horizontally averaged near-inertial energy (NIE) and of horizontally averaged wind power input (WPI) into the near-inertial frequency band. The observed reduction of NIE and near-inertial WPI is explained by the fact that SVD, to leading order, adds a linear damping term to the momentum equation governing near-inertial oscillations in the mixed-layer. This damping term is inversely proportional to the mixed-layer depth and hence the effect of SVD on near-inertial oscillations is found to be largest if the mixed-layer is shallow. The second paper assesses the influence of SVD on sub-inertial time scales. It is found that SVD also substantially reduces sub-inertial WPI and mesoscale eddy kinetic energy (EKE). The largest effect of SVD on sub-inertial WPI and EKE is found along the path of the Antarctic Circumpolar Current (ACC). SVD is found to generally damp the amplitude of monthly to inter-annual variability in the model, without affecting the time-dependence of the wind stress, of WPI, and of the strength of the ACC. SVD is, however, found to have only a minor impact on the path and strength of the ACC. The third paper connects to the first one by focussing on the spatial and temporal distribution of NIE and near-inertial WPI in the Southern Ocean. The modelled near-inertial WPI is found to be mainly governed by the variability of the wind-stress at the local inertial frequency (IWSV). This relationship is used to indirectly examine the temporal evolution of near-inertial WPI on time scales much longer than those which can be directly examined with the model. It is found that from 1979 to 2011 IWSV over the Southern Ocean has increased substantially. Furthermore, the inter-annual variability of IWSV in the Southern Ocean is shown to be largely governed by the Southern Annular Mode.

Die vorliegende Arbeit untersucht die Auswirkung einer Windstress-Parameterisierung, die von der Oberflaechengeschwindigkeit des Ozeans abhaengt (SVD), auf die Dynamik des Suedlichen Ozeans. Dazu wird die Ausgabe von Ozeanmodellexperimenten verglichen, die sich nur in der Art der Windstress-Parameterisierung unterscheiden. Die Arbeit besteht aus drei separaten Forschungsartikeln. Der erste Artikel untersucht den Einfluss der SVD auf die zeitliche Veraenderlichkeit bei Frequenzen nahe der Coriolis-Frequenz. Es wird gezeigt, dass die SVD zu einer deutlichen Verringerung der horizontal gemittelten kinetischen Energie von Inertialschwingungen (NIE) und der horizontalen Windarbeit (WPI) in das entsprechende Frequenzband fuehrt. Diese Verringerung wird dadurch erklaert, dass die SVD in fuehrender Ordnung einen linearen Daempfungsterm zur Impulsgleichung der Inertialschwingungen hinzufuegt. Dieser Daempfungsterm ist umgekehrt proportional zur Tiefe der Deckschicht. Daher sind die Auswirkungen der SVD dort besonders gross , wo die Deckschicht flach ist. Der zweite Artikel befasst sich mit dem Einfluss der SVD auf Zeitskalen l\"anger als die durch die Coriolis-Frequenz Bestimmten. Es wird gezeigt, dass die SVD auch auf diesen Zeitskalen die WPI und die kinetische Wirbelenergie (EKE) verringert. Der groesste Effekt der SVD findet sich entlang des Pfades des Antarktischen Zirkumpolarstromes (ACC). SVD daempft die Amplitude der zeitlichen Veraenderlichkeit im Modell auf monatlichen und auf zwischenjaehrlichen Zeitskalen ohne jedoch die normierte Zeitabhaengigkeit des Windstress, der WPI und der Staerke des ACC zu beeinflussen. Desweiteren ist der Einfluss der SVD auf den Pfad und die Staerke des ACC nur sehr gering. Der dritte Artikel schliesst sich thematisch an den Ersten an und konzentriert sich auf die raeumliche und zeitliche Verteilung der NIE und der nah-inertialen WPI im Suedlichen Ozean. Die nah-inertiale WPI im Modell ist vorrangig durch die Veraenderlichkeit des Windstress nahe der Coriolis-Frequenz (IWSV) bestimmt. Diese Beziehung wird ausgenutzt, um indirekt auch die zeitliche Entwicklung der nah-inertialen WPI auf Zeitskalen zu untersuchen, die viel laenger sind, als die mit dem Ozeanmodell behandelbaren Zeitraeume. Es wird gezeigt, dass sich die IWSV im Suedlichen Ozean von 1979 bis 2011 deutlich erhoeht hat. Desweiteren wird gezeigt, dass die zwischenjaehrlichen Schwankungen der IWSV zum grossen Teil durch die Southern Annular Mode bestimmt sind.

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Rath, Willi: The Influence of Ocean-Surface-Velocity-Dependent Wind Stress on the Dynamics of the Southern Ocean: the Near-Inertial and the Sub-Inertial Response. 2013.

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