Lagrangian connectivity of the upper limb of the overturning circulation studied with high-resolution ocean models

Rühs, Siren ORCID

Lagrangian connectivity studies with ocean models comprise the analysis of sets of virtual fluid particle trajectories to identify connecting pathways, as well as associated timescales and transports between distinct oceanic regions. They constitute a powerful tool in physical oceanography and a unique means to coherently study seawater pathways associated with the global overturning circulation (GOC). However, there are several open questions related to the (partially unresolved) impact of small-scale flow variability on large-scale Lagrangian connectivity measures. This doctoral dissertation addresses different aspects of the question how high-resolution ocean models can help improving our understanding of the spreading of water masses associated with the global overturning circulation, by: (i) reviewing the theoretical background of Lagrangian connectivity studies with ocean models, thereby highlighting the importance to distinguish Lagrangian analyzes of simulated purely advective volume transport trajectories from Lagrangian modeling approaches to estimate advective-diffusive tracer trajectories; (ii) investigating Lagrangian volume transport pathways and along-track tracer changes of the GOC’s upper limb in the South Atlantic (study 1) and Indian Ocean (study 2) with high-resolution models; and (iii) assessing the performance of near-surface particle dispersal simulations in the extended Agulhas Current system by means of lateral eddy diffusivity estimates (study 3).

Lagrangesche Konnektivitätsstudien mit Hilfe von Ozeanmodellen stellen ein wichtiges Analysetool in der physikalischen Ozeanographie dar. Sie beruhen auf der Simulation von Trajektorien virtueller Fluidpartikel, und ihrer Auswertung hinsichtlich dominanter Ausbreitungspfade und -zeiskalen, sowie Volumen- oder Tracertransporte zwischen ausgewählten Ozeangebieten. Dennoch bestehen einige offene Fragestellungen bezüglich des Einflusses von (nicht vollständig aufgelösten) relativ kleinskaligen Prozessen auf großskalige Langrangesche Konnektivität. In dieser Doktorarbeit wurden verschiedene Aspekte der Frage untersucht, wie Lagrangesche Konnektivitätsstudien mit hochauflösenden Ozeanmodellen zu einem verbesserten Verständnis der Wassermassenausbreitung der globalen Umwälzbewegung beitragen können. Es wurden (i) Theorie und bisherige Anwendungen Lagrangescher Konnektivitätsstudien mit Ozeanmodellen zusammengefasst, und auf die Wichtigkeit hingewiesen Lagrangesche Analysen von rein advektiven Volumentransportpfaden und Lagrangesche Modellierung advektiv-diffusiver Tracerausbreitung zu unterscheiden; (ii) Lagrangesche Volumentransportpfade der globalen Umwälzbewegung im Südatlantik (Studie 1) und Indischen Ozean (Studie 2) in hochauflösenden Ozeanmodellen bestimmt und die damit verbundenen Netto-Wassermassentransformationen analysiert; und (iii) simulierte oberflächennahe Lagrange Ausbreitungspfade im Agulhasstromsystem mit beobachteten Driftertrajektorien hinsichtlich abgeleiteter Wirbel-Diffusivitäten verglichen (Studie 3).

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Rühs, Siren: Lagrangian connectivity of the upper limb of the overturning circulation studied with high-resolution ocean models. 2018.

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