Schlußbetrachtung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Studium des mesoskahgen ozeanischen Wirbelfeldes aus altimetrischen Oberflächenbeobachtungen. Das Ziel hierbei ist die Untersuchung der Möglichkeit, durch Altimeterfernerkundungen der Meeresoberfläche zu einer kontinuierlichen Beschreibung des Bewegungungsfeldes an der Oberfläche und in tieferen Bereichen des Ozeans zu gelangen, und es sollen Charakteristiken der me- soskaligen Ozeanvariabilität aufgezeigt werden. Diese Untersuchung gliedert sich in drei Bereiche, die eine Verifizierung der Altimetrie, das Studium charakteristischer Wirbeleigenschaften und die Assimilation der Altimeterdaten in ein dynamisches Zir­

kulationsmodell umfassen.

Zunächst wurden die Altimeterbeobachtungen des Wirbelfeldes durch verschiedene vergleichende Studien mit herkömmlichen Ozeanbeobachtungen, wie hydrographische Daten, Bewegungen von Oberflächendriftern und Daten verankerter Strommesser, auf ihren Repräsentationsgrad mesoskaliger Prozesse hin untersucht. Hierzu wur­

den GEOSAT-Daten über mehr als 2| Jahre mittels der kollinearen Methode ana­

lysiert, und es wurden raum-zeitliche objektive Analysen der Oberflächenauslenkung, bzw. der daraus resultierenden geostrophischen Oberflächengeschwindigkeit aus den ungleichmäßig verteilten Altimeterbeobachtungen erstellt. Um bei den Vergleichen das Problem zu umgehen, das mit dem fehlenden Signal der mittleren Zirkulation in den Altimeteranomalien verknüpft ist, wurde bei allen Vergleichen die klimatologische dynamische Topographie 50/1500 dbar aus ROBINSON et al. (1979) Atlasdaten als Näherung des tatsächlichen Hintergrundfeldes verwendet.

Alle vergleichenden Studien belegen, daß das Signal der mesoskaligen Oberflächen­

anomalie nicht durch Restfehler der Umgebungskorrekturen und durch die Analyse­

prozedur kritisch beeinträchtigt ist. Statt dessen zeigen die abgeleiteten Felder der Meeresoberflächenauslenkung eine allgemeine Übereinstimmung mit allen verwendeten in-situ Beobachtungen im Nordatlantik und verdeutlichen wiederholt den hohen Grad, mit dem mesoskalige Ozeanprozesse durch die Altimetrie an der Meeresoberfläche er­

faßt werden. In nahezu allen Fällen führten die Altimeterbeobachtungen auf Wirbel­

strukturen, die hinsichtlich ihrer Lage, ihrer räumlichen Skalen und ihrer Amplituden qualitativ und quantitativ mit den vorliegenden Vergleichsmessungen übereinstimm­

ten. Unterschiede hierbei lassen sich zum Teil darauf zurückführen, daß die objektiven Analysen der Meeresoberflächenauslenkung nur solche Strukturen repräsentieren, de­

ren Skalen größer als die Korrelationslänge von 100 km, und deren Perioden länger als 10 Tage waren, während die Vergleichsmessungen i. allg. einen hiervon abwei­

chenden Wellenzahl-Frequenzbereich der Ozeanprozesse erfassen. Diese Unterschiede machen sich besonders in unmittelbarer Umgebung des Golfstromes bemerkbar, der durch hohe Variabilität auf kleinen räumlichen und zeitlichen Skalen gekennzeichnet ist, welche durch das Satellitenbahnschema nicht hinreichend erfaßt werden kann. Die Unterschiede sind merklich geringer in den zentralen Ozeanregionen.

Der Vergleich der Altimetrie mit den Bahnen und Geschwindigkeiten von Oberflächen­

driftern ergab einen signifikante Zusammenhang beider Datensätze, wobei die Bewe­

gung der Drifter überwiegend den Konturen der SSH-Felder folgten und die daraus abgeleiteten geostrophischen Geschwindigkeiten mit denen der Drifter qualitativ über­

einstimmen. Eine deutliche Übereinstimmung der GEOSAT-Daten mit Ozeanbeob­

achtungen ist nicht nur auf den westlichen Atlantik beschränkt, der sich durch große Wirbelamplituden auszeichnet, sondern kennzeichnet ein allgemeines Verhalten in allen Bereichen des Nordatlantiks, in denen Vergleichsmessungen Vorlagen. So läßt sich eine generelle Übereinstimmung der Altimetrie auch mit der dynamischen Oberflächento- pographie aus hydrographischen Beobachtungen entlang von einzelnen Schnitten im westlichen Atlantik und aus wirbelauflösenden hydrographischen Feldvermessungen im Iberischen Becken aufzeigen. Dabei war es wiederholt möglich, einzelne Wirbelstruktu­

ren über längere Zeiträume mit Hilfe der Altimeterfelder zu verfolgen. Die Bewegungen der Strukturen wurden durch Drifterbeobachtungen im westlichen Nordatlantik und durch Daten verankerter Strommesser bestätigt, welche im Iberischen Becken Vorlagen und gleichfalls einen signifikanten Zusammenhang mit den Geosatoberflächenbeobach- tungen aufzeigten.

Eine statistische Analyse der Altimeteranomalien diente einer systematischen Un­

tersuchung von Wirbeleigenschaften und deren geographischen Variationen. Hierbei führte die Oberflächenvariabilität in 2°x 2°-Feldern auf eine deutliche geographische Abhängigkeit der Oberflächenvariabilität, die eng mit vorherrschenden Stromsystemen verküpft sind. Dabei zeigte sich, daß entlang von vorherrschenden Stromsystemen ein großer prozentualer Anteil der gesamten Variabilität (>60%) durch die Variabilität auf Wirbelzeitskalen mit Perioden < 150 Tagen erklärt werden kann. Wellenzahlspektren

wurden entlang von Satellitenbahnen für verschiedene, den Atlantik überdeckende 10 x 10°-Bereiche berechnet, und charakteristische Wirbelskalen wurden von den entspre­

chende Autokorrelationsfunktionen bestimmt. Im Vergleich zu früheren Ergebnissen

konnte ein wesentlich größerer Bereich des Atlantiks durch Wellenzahlspektren charak­

terisiert werden, welche eine k-4 bis k-5 Relation ergeben, wie sie von der Theone der

geostrophischen Turbulenz gefordert werden. Ausnahmen hiervon wurden nur in den

Regionen gefunden, die durch geringe Amplituden der Wirbelvariabilität ( < 5 cm)

ge-kennzeichent sind. Hier wurde in Übereinstimmung mit früheren Arbeiten ebenfalls ein k~2 Verhalten gefunden. Die große räumliche Erstreckung dieser anomal flachen Spek­

tren aus früheren Arbeiten muß als Effekt des Analyseschemas angesehen werden, das, bei einer großen meridionalen Erstreckung der analysierten Bahnsegmente, aufgrund einer inhomogenen Wirbelstatistik direkt zu einer Glättung der korrespondierenden Wellenzahlspektren führt.

Autokorrelationsfunktionen in Bahnnchtung ergaben eine ausgeprägte Abnahme von charakteristischen Wirbelskalen vom Äquator zu hohen Breiten hin. Dagegen ist die Abnahme der Wirbelskalen zonal zu Randströmen hin untergeordnet. Der Nulldurch­

gang Lo zeigt dabei einen linearen Zusammenhang mit dem interen Rossbydeformati- onsradius über den gesamten Atlantischen Ozean außerhalb des tropischen Bereiches.

Dieses gilt ebenfalls für die lineare Integrale Skala L\ nördlich von 30°Breite auf bei­

den Hemisphären. Dagegen scheinen integrale Skalen in den Subtropen und Tropen äquatorwärts von 30° keine geeignete Abschätzung der Wirbelskala zu sein. Statt dessen zeigen Autokorrelationsfunktionen in diese Bereichen deutliche Anzeichen einer Entartung, wie sie typisch für Meßfehler sind, so daß integrale Skalen zu einer gene­

rellen Unterschätzung der Wirbelskalen in diesen Regionen führen. Die Entartung der Autokorrelationsfunktion kann auch als Hinweis dafür gewertet werden, daß die ent­

sprechenden Wellenzahlspektren mit k_2-Relationen möglicherweise durch Meßfehler dominiert sind und daher von einer ozeanographischen Interpretation ausgeschlossen werden sollten.

Die lineare Relation der Wirbelskala zum Rossbyradius unterstreicht und erweitert frühere Ergebnisse aus Analysen der Oberflächentemperatur im Nordatlantik. Sie er­

scheint konsistent mit der Ähnlichkeit der Wellenzahlspektren nahe von Randströmen mit dem inneren Ozeanbecken und legt nahe, daß barokline Instabilität ein führender Mechanismus zur Erzeugung von Ozean Variabilität nicht nur in der Nähe von Rand­

strömen und Ozeanfronten, sondern ebenfalls in weniger energetischen Regionen der zentralen Becken darstellt.

Im Vergleich zur Ajialyse von Wirbelskalen kann die Untersuchung von Frequenzspek­

tren und Zeitskalen durch die Wiederholungsperiode und den relativ kurzen Datensatz bedingt nur als qualitative Abschätzung gelten. Dennoch lassen sich auch hierbei geo­

graphische Variationen der Variabilitätseigenschaften finden. So ergeben sich kurze Zeitskalen in Regionen von Randströmen wie dem Golfstrom. Meridional gemittelte Skalen führen dagegen im Zusammenhang mit der Saisonalität des äquatorialen Strom­

systems auf maximale Skalen in niederen Breiten zwischen 0°und 20°N, aber auch je­

weils bei 40 Breite beider Hemisphären, die möglicherweise durch eine Wechselwirkung

der Ozeanströmung mit dem mittelatlantischen Rücken entstehen.

Die Assimilation von Altimeterdaten in ein regionales quasigeostrophisches Modell des östlichen Nordatlantiks belegt, daß alle Modellschichten durch die Assimilation der Oberflächenbeobachtungen deutlich beeinflußt werden. Hierbei zeigen Vergleiche mit simultan zur Altimetrie gemessenen Ozeanbeobachtungen, daß die Kombination der Oberflächendaten mit einem dynamischen Modell zu einer Beschreibung von Bewe­

gungsfeldern führt, die mit der Ozeanwirklichkeit auch unterhalb der Meeresoberfläche vergleichbar sind. Dabei ergaben sich zu verschiedenen Zeitpunkten deutliche Zusam­

menhänge der Modellstromfunktionen in Schicht 1 und 2 mit der gemessenen dynami­

schen Topographie. Einzelne beobachtete Wirbel konnten in den Modellfeldern identifi­

ziert werden und stimmten hinsichtlich ihrer Lage und ihrer Skalen mit Beobachtungen überein. Ein Vergleich mit Daten verankerter Strommesser ergab darüberhinaus auch eine deutliche Übereinstimmung der Modellgeschwindigkeiten mit Ozeanbeobachtun­

gen in allen Modellschichten. Dies ist besonders deutlich in den Schichten 1 und 2;

jedoch auch für die Bodenschicht ergab sich eine signifikante Kohärenz zwischen Mo­

dellgeschwindigkeiten und Verankerungsdaten auf Perioden größer als 80 Tage.

Die hier vorgelegten Ergebnisse belegen den hohen Grad, mit dem mesoskalige Ozeanoberflächenprozesse durch die Satellitenaltimetrie erfaßt werden. Sie demon­

striert, daß die altimetrische Ozeanbeobachtung zu einer realistischen Beschreibung der Oberflächenzirkulation führt und ein wichtiges Instrumentarium zur Erweiterung der Erkenntnisse über mesoskalige Prozesse darstellt. Die Kombination der Altimeter­

daten mit numerischen Modellen ermöglicht darüberhinaus, zu einer kontinuierlichen Beschreibung des dreidimensionalen Geschwindigkeitsfeldes zu gelangen.

A Anhang

Im folgenden sollen das quasigeostrophische Modell von HOLLAND (1978) beschrieben und die Initialisierungsmethode erläutert werden.