Über die Eigenschaften der oberflächennahen Zirkulation im zentralen Nordatlantik : Analyse eines Driftbojendatensatzes [report]

Bernd Brügge, OceanRep, GEOMAR Helmholtz-Centre For Ocean Research Kiel
1993 Berichte aus dem Institut für Meereskunde an der Christian-Albrechts-Universität Kiel No 143  
Diese Arbeit wurde von der M athematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Kiel als Dissertation angenommen. Abstract An analysis of a drifting buoy data set is presented. The objective is to arrive at a self contained description of the properties of the near-surface circulation (drogue depth 100m) in the central North Atlantic Ocean. A necessary pre-analysis step was the removal of all data from undrogued buoys. The physical parameters are deduced by averaging the data in 2°x
more » ... boxes. The minimum amount of data that is necessary to get nearly statistically stable results is determined by an empirical quality criterion. All important currents in the investigation area are reproduced by the near surface mean velocity field. Using a stream function approach a separation of the mean velocity field into a divergent and a non-divergent part shows that the flow is nearly non-divergent. The distribution of eddy kinetic energy (EKE) is very inhomogeneous. EKE is isotropic and concentrated along the mean currents which therefore determine its distribution. The greatest part of the total kinetic energy consists of EKE, but there are regional variations. A comparison of the deduced mean velocity field and the EKE distribution with the results of an eddy-resolving model reveals qualitative and quantitative discrepancies. The analysis of the Reynolds stress terms shows an energy transfer from the eddy field to the mean circulation in the vicinity of North Atlantic Current. Meridional sections along 30°W reveal significant seasonal variations of EKE in many regions of the North Atlantic Ocean. Regional differences in their seasonal cycle are also noticeable. The spectral energy distribution of Lagrangian and Eulerian spectra with equal total energy level is different. Due to ihc shorter Lagrangian time scale the cut-off frequency is at higher frequencies as in the Eulerian case. The position of the cut-off frequency varies depending on the area under consideration and characterises a special current regime. It turns out that it is not possible to analyse tidal currents with drifting buoy data. A basinwide distribution of the energy of inertia motions is deduced by complex demodulation. Einleitung Bis heute basiert der Hauptanteil der veröffentlichten Zirkulationsschemata des Nordatlantiks auf hydrographischen Daten. Die historische Entwicklung der Kenntnisse über die ober flächennahe Zirkulation im Nordatlantik wurde von SY (1987) skizziert. Mitte der 7üer Jahre existierten zwei völlig konträre Auffassungen über das Zirkulationsmuster. Die Darstellung von DIETRICH et al. (1975) entspricht dabei dem "klassischen Weltbild", d.h., sie zeigt die Aufspaltung des G olfstrom es bei Neufundland in einen nach Norden und einen nach Südosten gerichteten Zweig, die beide eine kontinuierliche Fortsetzung des Golfstromes sind. Der Verlauf von zwei Verzweigungen des Nordatlantischen Stromes bei 5()°N, 32°W läßt weiter hin darauf schließen, d a ß ein nicht zu vernachlässigender Teil der Golfstromrezirkulation über den Ostatlantik erfolgen muß. WORTHINGTON (1976) dagegen stellte die sogenannte "Two-Gyre"-Hypothese auf, nach der Golfstrom und Nordatlantischer Strom die Westflanke von zwei völlig getrennten, großskaligen und weitgehend barotropen Wirbeln bilden, die auf den Westteil des N ordatlantik beschränkt sind. Der krasse W iderspruch zwischen diesen Auffassungen war ein wichtiger Grund für die Einrichtung des Sonderforschungsbereiches (SFB) 133 "Warmwassersphäre des Nordatlanliks" am Institut für M eereskunde (IfM) in Kiel. Die Überprüfung der beiden Hypothesen war Aufgabe der SFB-Teilprojekte A3 "Hydrographie des Nordatlantischen Stromes" und A4 "Großräumige Driftexperimente" mit dem Konzept, die durch räumlich begrenzte hydrogra phische M essungen gewonnenen Informationen mit direkten Lagrange"sehen Strömungs messungen zu verifizieren und über das Meßgebiet hinaus zu erweitern. Das Hauptziel des Teilprojektes A4 bestand aber darin, mit Hilfe von satellitengeorteten Driftbojen, die die oberflächennahe geostrophisch balancierte Strömung messen, die großräumige Zirkulation des Nordatlantik zu erfassen und deren Eigenschaften zu analysieren. Der Einsatz von satellitengeorteten Driftbojen begann in der zweiten Hälfte der 70er Jahre. Aufgrund der geringen Datenmenge stand anfangs die phänoment»logische Beschreibung der Ereignisse im V ordergrund (z.B. RICHARDSON. 1981: KRAUSS und MEINCKE. 1982). Mit steigender Datcndichlc war es dann möglich, zu statistischen Analysen überzugehen (z.B. COLIN de V ER D IER E. 1983; RICHARDSON, 1983; KRAUSS und KÄSE., 1984). Im Rahmen des SFB 133 wurden zwischen 1981 und 1989 Driftbojen ausgelegt. Wie bereits angedeutet, wurden die daraus resultierenden Daten zum einen als Ergänzung zu hydrographi schen Daten benutzt, um die räumliche und zeitliche Variabilität in einem Untersuchungsge biet besser erfassen zu können. Auf diese Weise haben u.a. KÄSE und SIEDLER (1982) das geostrophisch berechnete Strömungsfeld im Bereich der Azorenfront mit Driftertrajektorlen verifiziert, KRAUSS et al. (1987) die zeitliche Entwicklung des Wirbelfeldes südöstlich der Flämischen Kappe dokumentiert und KRAUSS et al. (1990b) die Golfstromaufspaltung südöstlich der Grand Banks untersucht. Zum anderen wurden die Drifterdaten in den Mittel punkt gestellt und großräumige Prozesse analysiert. So leiteten KRAUSS und KÄSE (1984) die mittlere Zirkulation und die Verteilung der Wirbelenergie im östlichen Nordatlantik ab. KRAUSS (1986) entwarf ein modifiziertes Zirkulationsschema für das Gebiet des Nord atlantischen Stromes und fand, daß weder WORTHINGTON's "Two Gyre"-Hypothese noch DIETRICH's Strombänder der Realität entsprechen. Durch die unkritische Benutzung der Drifterdaten für diese Analysen konnte eine Verfäl schung der Ergebnisse durch Daten von Bojen, die ihr Segel während ihrer Einsatzzeit verloren hatten, nicht ausgeschlossen werden. Die Untersuchung des Driftverhaltens von Bojen mit und ohne Segel von KRAUSS et al. (1989) sowie eine statistische Analyse von BRÜGGE und DENGG (1991) zeigten schließlich, daß die Trennung der Daten von Bojen mit und ohne Segel eine notwendige Voraussetzung für eine realistische Analyse der ober flächennahen Zirkulation ist. Da der Datensatz nach Abschluß der im vorigen Absatz zitierten Studien außerdem noch erheblich an Umfang zugenommen hatte, war es sinnvoll, sie zu verbessern und zu erweitern. Ziel der hier vorliegenden Arbeit ist es daher, auf der Basis des bereinigten SFB-Datensatzes eine von anderen Datenquellen unabhängige Darstellung der Eigenschaften der Zirkulation im zentralen Nordatlantik abzuleiten und damit neue Erkenntnisse zu diesem Themenkomplex zu liefern. Die qualitative und quantitative Verbesserung der bisherigen Arbeiten resultiert aus folgenden Punkten: durch die Aufspaltung des Datensatzes wird eine Verfälschung der Ergebnisse durch den starken Windeinfluß auf Bojen ohne Segel vermieden durch die stark gew achsene Datenmengc ist es möglich, einen größeren geographi schen Bereich zu untersuchen und die Ergebnisse statistisch besser abzusichern die Analyse um faßt au ch bisher nicht betrachtete Gesichtspunkte wie z.B. hoch frequente Bewegungen (s.u.) Darüberhinaus sollen die Ergebnisse dieser Arbeit mit Darstellungen verglichen werden, die auf unterschiedlichen D atensätzen beruhen. Besonderes Augenmerk finden dabei die Arbeit von RICHARDSON (1983), d a sie die Analyse des einzigen größeren Drifterdatensatzes enthält, der neben dem SFB-D atensatz für den Nordatlantik existiert und dessen Einsatzgebiet sich teilweise mit dem der SFB-Bojen deckt, sowie Quellen aus dem IfM-Kiel. Dies sind Auswertungen von GEOSAT-Altimeterdaten, Verankerungsdaten und Modellrechnungen, die in den nachfolgenden Kapiteln vorgestellt werden. Zwei weitere Aspekte m otivierten zur Anfertigung dieser Arbeit. Einmal sollen die Grenzen dessen aufgezeigt werden, w as m it satellilengeorteten Driftbojen allgemein und mit den SFB-Driftbojendaten im besonderen in Bezug auf räumliche und zeitliche Auflösung sowie statistische Absicherung der Ergebnisse machbar ist. Zum anderen kann die Analyse einen auf direkten Ström ungsm essungen basierenden Satz von Verteilungen physikalischer Para meter wie z.B. kinetische W irbelenergie liefern, die es ermöglichen, Modellergebnisse nahezu ozeanweit zu verifizieren und s o zu einer Verbesserung von Modellen beizutragen. Gerade der letzte Punkt gewinnt dabei zunehmend an Bedeutung, da es nur mit Modellen möglich sein wird, die physikalischen Prozesse und ihre Wechselwirkungen im Nordatlantik räumlich und zeitlich lückenlos zu analysieren. Dazu ist es aber notwendig, die heute noch vorhande nen Schwachpunkte der M odelle (TREGUIER, 1992: BÖNING, 1992: BECKMANN et aL 1993) zu beseitigen. Die Arbeit ist wie folgt gegliedert: In Kapitel 2 wird der SFB-Driftbojendatensalz vorgestellt und der Einfluß von Fehlerquellen auf die nachfolgenden Untersuchungen diskutiert. Auf der Basis der dort beschriebenen Analysemethode und der statistischen Absicherung der Ergeb nisse wird im 3. Kapitel das m ittlere horizontale Geschwindigkeilsfekl abgeleitet und über die Stromfunktion der divergente A nteil abgeschätzi. Im 4. Kapitel sieh! dann die mit den mittleren Geschwindigkeitsfeld assoziierte Verteilung der kinetischen Wirbelenergic im Mittelpunkt. In beiden Abschnitten werden die eigenen Analysen mit mittleren Feldern und Energieverteilungen, die auf unterschiedlichen Datensätzen basieren, verglichen. Das 5. Kapitel beschäftigt sich mit der Frage, ob es im Nordatlantik ein saisonales Signal in der kinetischen Wirbelenergie gibt und -wenn ja -welche Form der Jahresgang hat. Im 6, Kapitel werden die regionalen Unterschiede in der spektralen Energieverteilung untersucht und die Spektren von Lagrange'sehen und Euler'schen Strömungsmessungen einander gegenüber gestellt. Die den hochfrequenten Teil der Spektren beherrschenden Trägheits-und Gezeitenbewegungen sind Gegenstand des 7. Kapitels. Das Ende dieser Arbeit bilden dann die Zusammenfassung der Ergebnisse sowie eine Schlußbetrachtung (Kap. 8). Tabelle?/!: Übersicht über den D rifterd a ten sa tz des SFB 133 E insatz ja h r Anzahl Bojen Datenanzahl ln Boj entag en Abriss (Tage n . Ausse tzen) Gesamt mit Segel % ohne Segel % fehlerhaft % M itt. Min. Max. Bojen i m
doi:10.3289/ifm_ber_244 fatcat:uxfzpocycjfg5oe6kea2wtulxa