Transcript
Page 1: Watts DrakeEHFs AGU F2012 poster-size · Title: Watts_DrakeEHFs_AGU_F2012_poster-size.pptx Author: DRandolph Watts Created Date: 11/29/2012 7:37:24 PM

Eddy  Heat  Fluxes  across  the  Antarc4c  Circumpolar  Current  in  Northern  Drake  Passage  

D.  Randolph  WaAs1,  Karen  L.  Tracey1,  Kathleen  A.  Donohue1,  Teresa  K.  Chereskin2      

1Graduate  School  of  Oceanography,  University  of  Rhode  Island,  USA                  (E-­‐mail:  [email protected])  2Scripps  Ins4tu4on  of  Oceanography,  University  of  California  San  Diego,  USA                            hAp://www.cdrake.org  

1.  Local  dynamics  array   2.  Method  to  iden4fy  divergent  eddy  heat  fluxes  

6.  Context  /  Summary    

References  and  Acknowledgments  

Overview    

5.  Time  series  &  case  study  

Session  O21A  #  1655  

       THE  

   UNIVERSITY          OF  RHODE  ISLAND            GRADUATE  SCHOOL          OF  OCEANOGRAPHY      

è  See  also  Bishop,  S.P.  AGU  Fall  Mee4ng  Session  OS21A,  poster  #1657.  Bryden,  H.  (1979)  JMR  37,  1-­‐22.    Lenn,  Y-­‐D.,  T.Chereskin,  J.Sprintall,  and  J.McClean  (2011)  JPO  41,  1385-­‐1407.  Marshall,  J.,  and  G.  ShuAs  (1981)  JPO  11,  1677-­‐1680.  Phillips,  H.,  and  S.Rintoul  (2000)  JPO  30,  3050-­‐3076.        è  cDrake  is  funded  by  US  Na4onal  Science  Founda4on  Grants  ANT-­‐0635437  and  ANT-­‐0636493.  

3.  Four-­‐year  mapped  EHF/DEHF  fields  

For  ocean  mesoscale  eddy  heat  fluxes,  the  dynamically  important  component  is  the  divergent  field,  because  it  modifies  its  environment,  whereas  the  non-­‐divergent  component  just  recirculates.    Helmholtz  showed  that  vector  fields  are  uniquely  separable  into  non-­‐divergent  and  divergent  parts.    Divergent  eddy  heat  fluxes  are  driven  by  nearly  depth-­‐independent  geostrophic  eddy  currents  that  can  cross  the  temperature  front.  

*  mesoscale-­‐resolving  24  current  and  pressure  recording  inverted  echo  sounders  (CPIES)    *  3D  maps  of  temperature  and  geostrophic  current  vector,  T,  u    *  4-­‐years,  11/07-­‐11/11  *  in  maximum  SSH  variance  region    between  SAF  and  PF    

dept

h (m

)

−5000

−4000

−3000

−2000

−1000

0SAF

PF

64oW 62oW 60oW

62oS

60oS

58oS

56oS

Marshall  and  ShuAs  (JPO,  1981)  discussed  the  importance  of  separa4ng  non-­‐divergent  and  divergent  eddy  fluxes.  They  presented  a  method  to  separate  them  if  the  mean  flow  is  nearly  along  temperature  contours,  sa4sfying  approximately,        ψ  ≈  ψ(T).  The  non-­‐divergent  part  recirculates  EHF  around  <T’2>  =  EPE  extrema.  

φ+  φ-  

u  =  ubc  +  ubt  

ubt  

 ubc  

Absolute  geostrophic  currents  u  are  the  vector  sum  of  a  ver4cally-­‐aligned  baroclinic  current,  ubc,  and  a    nearly  depth-­‐independent  reference  current  called  the    barotropic  current,  ubt,  measured  at  4000m  depth.      

White  contours  =  SSH  variance  

*  CPIES  mapped  eddy  heat  fluxes  (EHF)                  {      u’T’  =  u’bcT’  +  u’btT’              }  ×  (ρoCp)  *  flux  divergence  is  dynamically  important                    ++      modifies  the  T  and  EPE  fields                  ++      non-­‐divergent  part  just  recirculates    

*  baroclinic  part  is  non-­‐divergent,  ∇.<ubcʹ′T’>  =  0                    ++      ubc  carries  no  heat  across  front  *  <u’btT’>    contains  all  dynamically  important  EHF                  ++      a  major  part  is  s4ll  non-­‐divergent    

20

24

24

1 DEC 2007

20

24

24

7 DEC 2007

20

24

24

13 DEC 2007

20

2024

0.05 ° C m s−10.05 ° C m s−10.05 ° C m s−1

19 DEC 2007

dbar−0.4−0.2 0 0.20.4

7 DEC 2007

20 cm s−1

65°W 63°W 61°W

58°S

57°S

56°S

dbar−0.4−0.2 0 0.2 0.4

4.  Ver4cal  structure  

Upper  and  deep  flow  fields.  On  this  day  a  SAF  meander  crest  and  trough  had  deep  HI  and  LO,  offset    ~λ/4  downstream.  In  circled  region  currents  turned  with  depth  as  ubt  crossed  the  baroclinic  front.    Black  contours:  ϕ  baroclinic  stream  func4on  Gray  contours:  SSH  from  satellite  al4metry  Colorbar:  P’  at  4000  dbar  Vectors:  current  at  4000  dbar  

All  five  panels:  4-­‐yr  mean  eddy  heat  flux  fields  at  400m;  DEHF  vectors  enlarged  (boAom  right).    (All  four  1-­‐yr  mean  fields  are  remarkably  similar.)    

Top:  <uʹ′T’>  tends  to  be  high  where  EKE  is  high;    sum  of  ‘bc’  and  ‘bt’  parts,  shown  in  next  row.  

Bo7om  right:  DEHF  overlaid  on  mean  baroclinic  stream  func4on  (geopoten4al).  Downgradient  DEHFs  (green  shading)  systema4cally  occur  along  mean  crest-­‐to-­‐trough  segment  between  SAF  and  PF;  peak  values  ~  ⅕  of  others.    

•  strongest  sites  have  same  sign  top-­‐to-­‐boAom  

•  peaked  in  200-­‐400m  at  4x10-­‐3  oCm/s  (15KW/m2)  

•  50%  of  flux  below  700m        •  contrast  total  EHF  at  

400m  is  ~75kW/m2          ~5x  larger  

DEHFs  at  six  sites  chosen  to  represent  strong  and  weak  down-­‐  and  up-­‐gradient  fluxes.      

Meridional  DEHF  4me  series  at  site  2  typifies  all  six  sites.  The  mean  accumulates  from  many  episodic  short-­‐lived  events.  The  short  integral  4me  scale  ~4  days  accounts  for  why  1-­‐yr  means  are  similar.    

This  case  exemplifies  rapid  growth  of  a  SAF  meander  crest  (A)  that  jointly  steepens  with  deep  an4cyclone.    (B)  is  a  canonical  example  of  BC  instability  with  upper  crest  and  trough  led  (~λ/4)  by  deep  high  and  low  pressure  centers;  note  strong  poleward  DEHFs.    (C)  intensifies  further,  becoming  more  ver4cally  aligned.    (D)  shows  a  separated  ring,  characterized  by  mature  ver4cally-­‐aligned  current  structure  and  therea�er  liAle  heat  flux.  

Poleward  DEHFs  arise  from  ~8  southward  crests  of  the  warmer  SAF  steepening  jointly  with  a  deep  an4cyclone,  as  illustrated  in  the  case-­‐study  map  sequence  .    Addi4onal  ~3  poleward  peaks  arise  when  northward  troughs  of  the  colder  PF  develop.    

Case-­‐study  daily  snapshots  at  6-­‐d  interval  in  December  2007,  during  poleward  peak  DEHF  .    Geopoten4al  (  ϕ0  re  4000  dbar)  solid  contours;  proxy  SSH  for  SAF  and  PF  (gray  contours);  deep  reference  current  (gray  vectors)  and  P4000  (colorbar).    Green  arrows:  DEHF  at  same  six  sites.  

     -­‐contrast  <ubtʹ′T’>  at  400m  are  ~5  4mes  larger,  poleward  but  mainly  non-­‐divergent          -­‐contrast  <uʹ′T’>  have  similarly  large  magnitude,  but  in  recircula4ng  direc4ons    

Ver4cally  integrated  poleward  DEHF  is  6-­‐19  MW/m  across  the  front  (sites  1,2,3).    

Compare  Phillips  &  Rintoul  (2000)  south  of  Australia  ver4cal  average  EHF  in  shear  coordinates  11.3kW/m2  (ver4cal  integral  ~40  MW/m).    Compare  Bryden  (1979)  Drake  P  average  EHF  =  0.16cal/cm2s  =  6.7  kW/m2  at  2700m.  Compare  Lenn,  et  al.  (2011)  Drake  P  XBT  +SADCP  transects,  poleward  EHFs  in  top    300m  up  to  290±80  kW/m2  (incl  Ekman)  calculated  rela4ve  mean  stream  coordinates.    None  separate  DEHFs  from  EHFs.  

The  mean  poleward  DEHF  peaks  are  associated  with  several  events  per  year  of  strong  meander  growth;  the  strongest  events  result  in  ring  forma4on.    The  growth  is  generated  by  joint  interac4on  with  deep  eddies,  with  phase-­‐offset  such  that  their  currents  cross  the  baroclinic  front  and  release  APE  consistent  with  BC  instability.  This  process  drives  the  eddy  variability  and  drives  the  poleward  DEHF.  

1500  

600  

200  

4000  

D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N−0.1

−0.05

0

0.05

0.1

2008 2009 2010 2011

Location 2; 400 m

mean = −3.56e−03

v btʹ′Tʹ′ di

v (m s−1

°C)

poleward  

equatorward  

u!T ! 0.025 ° C m s−1

65°W 63°W 61°W

57.5°S

56.5°S

Surface EKE (m2 s−2)2 2.5 3 3.5

x 10−3

u!

b tT ! 0.025 ° C m s−1

Depth (m)−5000 −4000 −3000 −2000 −1000 0

u!

b cT! 0.025 ° C m s−1

T ! 2 ( !C 2)

0 0.2 0.4 0.6 0.8

u!

b tT! 0.025 ° C m s−1

100 125 150 175 200 225 250 275 300 325

SSH! 2 (cm2)

u!

b tT ! d iv 0.0125 ° C m s−1

Middle:  <ubcʹ′T’>  (purely  nondivergent)  recirculates  around  <T’2>  extrema;  equatorward  in  many  sectors.      

<ubtʹ′T’>,  bathymetry,  and  SSH  variance  (white  contours).  <ubtʹ′T’>  is  high  and  poleward  near  SFZ  where  SSH  variance  is  high.  Its  non-­‐divergent  and  divergent  components  shown  next  row.      

Bo7om  le=:  <ubtʹ′T’>nondiv  is  the  larger  component  roughly  parallel  to  <T’2>;  also  resembles  mean  4000  m  flow  (not  shown).    

A   B   C   D  

Observed     4-­‐yr  mean   divergent   eddy   heat   fluxes   (DEHF)   in   the   Drake   Passage   are   stable   es4mates.   The  strongest   DEHFs   occur   immediately   downstream   of   Shackleton   Fracture   Zone   (SFZ,   topographic   ridge)  between  the  Subantarc4c  Front  (SAF)  and  Polar  Front  (PF),  where  meanders  and  deep  eddies  jointly  develop  rapidly  via  baroclinic  instability,  and  rings  pinch  off,  and    SSH  variability  is  highest.        

*  Divergent  eddy  flux  must  be  es4mated  as  residual  a�er  OA  mapping  the  non-­‐divergent  part  of  EHF    

Peak  mean  downgradient  DEHF  at  400m  is  (3.6±1.2)x10-­‐3  (oCm/s)  ≈  15  kW/m2  

Ver4cally  integrated  poleward  DEHF  is  6-­‐19  MW/m  across  the  front  (sites  1,2,3).        

−5 0 5x 10−3

−4000

−3500

−3000

−2500

−2000

−1500

−1000

−500

0

C m s−1

n · u!

b tT!d i v

(!Cms" 1)

123456

1 2

34

5 6

u!

b tT! n ond iv 0.025 ° C m s−1

T ! 2 ( !C 2)

0 0.2 0.4 0.6 0.8