Pazifik-Wasser: Temperatur, Salzgehalt, Volumen- transport

Direkte Stroiiiungsmessuiigen von Roach et, al. (1995) in der Bering-Strafie zeigen, dass der mittlere Volumentra~nsport Pazifischen Wassers ins Nordpolarmeer rund 0.83 Sv bet,rägt Aus einer Zeitreihe von 4 Jahren berechnen die Autoren monat- liche Mittelwerte und geben somit ein 'typisches Jahr' fü den Einstrom an (Abb.

VII.18a). Der Jahresgang unterliegt st,arken Schwankungen mit wint,erlichen Mi- nima (Dezember und März von 0.3 Sv und einem Soinmerinaxim~~m (Juli) von 1.3 Sv. Auch Temperatur und Salzgehalt des Pazifik-Wassers variieren beträcht lich auf saisonaler Zeitskala. Währen das in die Arktis einstremende Wasser im Wint,er (Dezember bis Mai) Gefrierpui~kt~steinperaturen besitzt, steigen im Sommer die Temperatouren um mehrere Grad Celsius an. Aus den in Roach et al. (op.cit.1 gezeigten Zeit,serien und von Becker (1995) veröffentlicl~t~e ältere Messergebnis- sen kann ein charakt,eristischer Jahresgang fü die Temperatur kon~t~ruiert werden (Abb. VII.18b). Die saisonale Variabilitä des Salzgehalts ist gekennzeichnet durch ein Maximum in März/Apri und spätsommerlich (September/Okt,ober) Minimal- werte. Die Amplitude saisonaler Schwankungen beträg rund 1 psu. der Mittelwert ca. 32.5 psu. Mit diesen, in1 Vergleich zum Atlantik-Wasser geringen Salzgehalten sind mit dem Einbau eines Bering-Strafien-Einstroms ins Ozean-Modell nicht nur Volumen- und Wärineflüs verbunden, sondern auch beträcht,lich Sii§wassertrans poste. Roach et a.1. (op.cit,.) führe eine Harmonische Analyse der von ihnen geines- senen Salzgehaltszeitreihen durch, anliand derer sich ein idealisierter Jahresgang erstellen läss (Abb. VI1.18~).

Der Einstrom von Pazifik-Wasser wird wie der Eintrag von FlŸsse iiber clie Oberflächenrandbediiigun (IV.20)-(IV.22) implementiert. Dieser einfache Ansatz ern~öglicli ohne gro§ Schwierigkeiten ein 'öffnen der Bering-Stra§ in1 vorliegen- den Modell und läss sich durch die geringe Tiefe der Meerenge von nur ca. 50 m rechtfertigen (clie obersten Gitterboxen des Ozean-Modells sind 20 in tief). Vo- l~unentransport, Einstrom-Temperatur und Salzgehalt werden gemafi Abb. VII.18 implementiert,.

VII.3.2 Ergebnisse

Aufgesetzt auf das letzte Jahr der Integration von Experiment NARES wird Expe- riment NFP (FJiederschlag. Flusswasser und Pazifik-Wasser als externe Süßwasse quellen fü das Sordpolarmeer) 30 Ja,hre integriert. Abb. VII.19 zeigt den init,tleren Salzgehalt in den obersten 254 rn in1 letzten Jahr der Integration. I1n Vergleich zu Experiment N F sind Salzgehalte in der zentralen Arktis um rund 0.5-1.0 psu re- duziert. In den obersten 80 in hat sich die 34-psu-Isohaline im westlichen Teil des Eurasischen Beckens deutlich zurückgezogen währen sie im östliche Teil leicht nach Osten und Norden vorgedrungen ist,. I111 Europäische Nordmeer markiert sie den EGC (Abb. VII.19a). Ein scharfer Gradient iin Salzgehalt zieht sich von der Laptew-See bis zur Frain-Straß und ist eng mit dem Pfad der T P D verknüpft Beim Vergleich der Oberflächenströinung von Experiment NFP (Abb. VII.20a)

BSi Volume

1.4L ' ' ' ' ' ' , , , ;

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct No" Dec monlh

C ) BSI Salinity

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct No" Dec month

Abb. VII.18: Monatliche Werte von ( U ) Volumenfluss, (b) Temperatur und

(C) Salzgehalt des i m prognostischen Modell implementzerten Einstroms durch die Bering-StraJe.

EXPERIMENT NFP: EINSTROM DURCH D I E BERING-STRASSE

Abb. VII.19: Jahresmittel des Salzgehalts i n Experiment NFP: ( U ) Gemittelt übe den Tiefenbereich 0-80 m (Konturinterva,ll: 0.5 psu; Gebiete mit Salzge- halten übe 34 psu sind dunkel m,arkiert), (b) qemittelt übe den Tiefenbereich.

80--254 m (Konturintervall: 0.5 psu).

Abb. VII.20: Jahresmittel des ozeanischen Strömungsfelde in Experiment NFP: ( U ) Gemittelt übe d e n Tiefenbereich 0-80 m, (b) gem,ittelt übe d e n Tiefenbereich 254-620 m (angegebene Geschwindigkeiten in cm/s).

EXPERIMENT N F P : EINSTROM DURCII DIE BERING-STRASSE

Abb. VII.21: Differen,~ Experiment NFP - Experiment NF: Jahresmittel der Pseudostromf~~n,ktion nach (VI.1) (Kontu~intervall: 0.5 Sv).

mit denen von Experiment N F (Abb. VII.16a) springen Unterschiede der T P D ins Auge. Die Berücksichtigun des Bering-Strafien-Einst,roms führ zu einer deutlichen Verstärkun des Ausstroms durch die Fram-Strafie. In Tiefen unterhalb 250 in zeigt sich in Experiment NFP ein ausgeprägte Einstrom Atlantischen Wassers durch die östlich Fram-Strafie entlang des Barents-See-Kontinentalhanges (Abb. VII.20b);

der in Abwesenheit eines Bering-StraBen-Einstroms in dieser Form nicht vorhanden ist (Abb. VII.17). Die Unterschiede in den Strömungsfelder von Experiment NFP und Experiment NF werden durch die Darstellung der Pseudost~romfunktion zusam- mengefasst (Abb. VII.21). Der Einstrom von Pazifik-Wasser durch die Bering-Strafie führ zu einer Verstärkun der zyklonalen Zirkulation im Eurasischen Becken, die mit einer Intensivierung des Wassermassena.usta~usclis zwischen Nordpolarmeer und Europä.ische Nordmeer iin Bereich der Fram-Stra§ einhergeht.

Die Einführun eines passiven Tracers zur Markierung des Bering-Strafien- Einstroms ermöglich die Identifizierung von Ausbreitungspfaden Pazifischen Was- sers im Modell. Abb. VII.22 zeigt die Verteilung von Pazifik-Wasser in1 30. Jahr der Integration5. Die höchste Konzentrationen von übe 95% erstrecken sich von der Tscliul~tschen-See bis zum westlichen Rand der Ostsibirischen See. Mit der TPD wird Pazifik-Wasser in Richtung Grönlan transportiert, doch sorgen Vermischungs- Prozesse rasch fü eine Abreicherung der Konzentration, so dass im Bereich des Nordpols Werte von rund 60% in den obersten 80 m zu finden sind (Abb. VII.22a).

Mit zunehmender Tiefe nimmt der Pazifik-Wasser-Anteil a b (Abb. VII.22b).

Der von Jones et al. (1998) mittels Nitrat-/Phosphat-Messungen gefundene ostwärtig Pfad Pazifischen Wassers entlang der nordamerikanischen Küst wird im Modell nicht reproduziert; lediglich das aiiti~ykloii~le Ausbreitungsmuster ist

'Gestartet wird die Integration mit Pazifik-Wasser-Konzentrat,ionen von 0%

präsen (vgl. Absatz 111.2.1). Dies kann auf die fehlende ii~t~erannuelle Va~iabilit~ä i n den atmosphärische Antriebsfelderii zurückgefüh werden (Maslowski et al. 2000) und/oder auf eine unzureichende Gitterauflösung die eine Sin~ulation des möglicher weise sehr schmalen Randstroms entlang der amerikanischen Küst nicht erlaubt.

Man beachte &er, dass auch die antizyl<lonale Ausbreitung von Pazifik-Wasser recht hohe Konzentrationen im Bereich des Kanadischen Archipels erzeugen kann.

Der Einstrom durch die Bering-Straae üb einen erheblichen Einfluss auf die arktische Meereisdecke aus. In unmittelbarer Näh der Stra,§ ist der Einstrom re- lativ warmen Pazifik-Wassers mit einer Erhöhun der Ozean-Eis-Wärineflüs von 30 W/m2 im Jahresmittel verbunden (Abb. VII.23a). Dies führ zu betriichtlichen Eisdickenabi~~hmen in der Tschuktschen-See (Abb. VII.23b). Im Vergleich zu Ex- periment NF zeigt sich zudem eine weiträumig Reduzierung der Eisdicke in der Ostsibirischen See von rund 0.5 m. Ursächlic fü diese groaräumig Eisabnahme ist die Advektion von - im Vergleich zu Experiment N F ^- diinnerem Eis aus der Tschuktschen-See.

VII.3.3 Diskussion

Die Ergebnisse von Experiment NFP deuten darauf hin, dass der Einstrom salz- armen Pazifik-Wassers durch die Bering-Straae einen wesent,liclien Einfluss auf die Zirkulation im Nordineer ausübt Fiir das vorliegende Modell bedeutet die 'Offnung' der Bering-Straf3e eine entscheidende Verbesserung des resultierenden Strömungsinu sters und der liydrogra,fisclien Felder.

Obwohl mit rund 50% in der Nares-Stra8e höher Konzent,rationen von Pazifik- Wasser modelliert werden als in der westlichen Fram-StraBe (-30% in den obersten 80 m), bedeutet dies keineswegs, dass der Bering-Straf3en-Einstrom den Volumen- transport durch den Archipel verstärkt Tat,sächlic wird der Durchstrom durch den Archipel kaum modifiziert; vielmehr wird die Volumenbilanz des Nordpolarmeeres dadurch aufrechterhalten, indem der Volumeneintrag von 0.83 Sv durch einen ent- sprechend erhöhte Ausstrom durch die Fra,m-Stra§ kompensiert wird (mehr dazu in Absatz VII.5). Dabei wird nicht nur die Zufuhr polaren Wassers in den E G C verstärkt sondern auch der Einstrom von Atlantik-Wasser im Osten der Strafie, so dass Experiment N F P eine wesentlich realistischere Zirkulation liefert als Expe- riment NF. Der Bering-StraBen-Einstrom spielt somit eine wichtige R,olle fü den Was~ermassen~ustausch zwischen Nordpolaxmeer und Europä.ische Nordineer.

Auch wenn ein etwas veränderte Zirkulationsmuster im Eurasischen Becken mit einem Rückzu der Halokline im östliche Teil des Beckens verbunden ist, so führ der Eintrag von Pazifik-Wasser insgesamt zu einer Abnahme des Salzgelialts im arktischen Ozean. Verantwortlich ist hierfü die Zufuhr von Sufiwasser: Aus den in Abb. VII.18 gezeigten Daten läss sich ein Sü§wassereintr von 1771 km3/a bzgl.

eines Referenz-Salzgehalts von 35.0 psu errechnen (s. Absatz VII.6).

Ferner stellt die Eisdickenabnahme im Bereich der Tschuktschen- und Ost- sibirischen See ein wichtiges Resultat von Experiment N F P dar. Die Meereis- Modellierung in dieser Region kann demnach erheblich verbessert werden, wenn die Zufuhr warmen Pazifik-Wassers berücksichtig wird. Die Vernachlässigun des Bering-Straaen-Einstroms vermag zumindest einen Teil der zu starken sommerlichen Eisbedeckungen übe den ostsibirischen Schelfen zu erklären die in einigen Modell- studien negativ in Erscheinung treten (vgl. Kreyscher 1998; Zhang et al. 1999).

EXPERIMENT

NFP:

Abb. VII.22: Jahresmittel der Pazifik- Wasser-Konzentration i n Experiment NFP nach 30 Jahren Integration: (a) Gemittelt übe den Tiefenbereich 0-80 m (Konturintervall: 20%; Gebiete mit Werten übe 95% sind dunkel markiert), (b) gemittelt übe den Tiefenbereich 80-254 m (Konturintervall: 10%).

Abb. VII.23: Differenz Experiment NFP ^- Experim,ent NF: (U) Jah,resmit- tel der Eis-Ozean-Wärmeflüs (Kont~~rintervall: 5.0 W/rn2), (b) Jahresmittel der Eisdicke (Konturintervall: 0.2 m ) . Konturlimen negativer Werte sind ge- strichelt.

126 EXPERIMENT N F P : EINSTROM DURCH DIE BERING-STRASSE Trotz der Implementierung eines Pazifik-Wasser-Einstroms sind die modellier- ten Oberflächensalzgehalt in der zentralen Arktis höhe als beobachtete Werte (vgl.

Abb. VI.13). Das Gleiche gilt fü das pola,re Wasser im EGC. Hier ist der modellierte Salzgehalt rund 1 psu zu hoch. Es ist nahe liegend, dass noch fehlende Siiflwasser- quellen im Modell fü einige der Diskrepanzen verantwortlich sind. Irn folgenden Abschnitt soll daher diskutiert und untersucht werden, welche weiteren Quellen exi- stieren und wie bedeutsam deren Einfluss fü die arktische Hydrografie ist.