Strömungsbeobachtungen

In Abschnitt 1.2 wurde gezeigt, wie aus der Differenz von reziproken Schallaufaciten prinzi-piell da.s Linienintegral der Strömung zwischen zwei Geräten gemessen werden kann, siehe

ßezi1•l11rng (1.5). Weil die durch Striimungen erzeugten Laufzeitsignale sd1r klein sind, rniiss<'n die lJhrPnahwP.ichungrn rnit a11srf'i(·hf'ndPr (]rnauig:kf'it hPkannt sind. Die Anv..·en-d,rng von Gli·irhunp; ( 1.2) ergibt ein

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von ungf'fahr 0.5m., bei Inn/., Striimung und Ausbreitung iiber lOOkm Entfernung. Da unserP Uhren sich nicht auf diese Genauigkeit

korrigirrPn lassrn, n111ß rnan drrcn ,\hv.rcichung entfernr-n, indern rnan Pntv.·f'der C'in Zirku-btionsint.egrnl schließt oder für einzelne Gerätepaare die Laufzeitdifferenz zwischen tiefen und flachen Schallstrahlen benutzt. In der folgenden Analyse wurde die zweite Methode benutzt: der zuerst eintreffende Strahl (i = 1) durchläuft den ganzen ßereich von der Oberfläche bis in große Tiefen und mißt daher nur sehr kleine mittlere Strömungen. Der letzte Strahl ( i = N) dagegen bleibt innerhalb der oberen 150m un<l ist so den größeren Strömungen innerhalb dieser Schicht ausgesetzt. Der Unterschied dieser Strahlen gibt da-her zu erster Näda-herung die Stromscda-herung. Solche Strömungsbeobachtungen sind für zwei Themenbereiche von Interesse - die Erzeugung von mittlerer Vorticity in Konvektionsge-bieten und das schnelle Auftreten der oberflächennahen "Linsen" geschichteten Wassers.

Die theoretischen Konzepte aus Abschnitt 2.1.1 und die Modellanalysen dort und in Ab-schnitt 1.5 hatten zum Ergebnis, daß Konvektion vernachlässigbare mittlere Vorticity er-zeugen sollte. Selbst der kleine erwartete Mittelwert von 0.5-1 x 10-⁵,-t würde nach den Theorien in dem Stromband (Rim Current) konzentriert sein, mit noch kleineren Werten im Inneren und außerhalb. Diese Schlüsse bedürfen noch der Bestätigung durch Beob-achtungen. Aus den Tomographiedaten wurden dafür die oberflächennahen Strömungen entlang der Schnitte T3-T2, T2-T5, und T5-T3 ausgewertet, da nach dem Stokes'schen Integralsatz die Zirkulation um ein geschlossenes Gebiet gleich der darüber gemittelten Vorticity ist

(2.9) Da die Schallstrahlen mit Sicherheit nicht gerade innerhalb des Strombandes verlaufen, mißt die Tomographie nur einen großflächigen Mittelwert der Vorticity - nicht <lie des Randstromes. Für diese Analyse wurden zunächst alle reziproken Schallübertragungen gesucht (hier definiert als solche, die innerhalb von 30 Minuten in reziproken Richtungen stattfanden). Wenn diese Empfänge jeweils ähnlich genug waren, um den ersten und letzten Schallstrahl übereinstimmend zu identifizieren, wurden deren Laufzeitdifferenzen in beiden Richtungen auf0.625ms interpoliert bestimmt, d.h. die Größen D.tN,+D.ti,+ und D.tN, -D.11,- aus Gleichung (1.3). Differenzbildung gemäß (1.5) ergibt dann ein Maß für die Strömungen innerhalb der oberen 150m. Das !lauschen in den so bestimmten reziproken Laufzeitilifferenzen betrug bis zu 4m.,. Da., ist konsistent mit <lem erwarteten Fehler von 1.4m., für einzelne Maxima (siehe Abschnitt 1.2) und damit von 2m., in den D.tN,+ -D.ti,+·

Diese Unsicherheit entspricht Strömungen von etwa 4cm/s für IOOkm Entfernung. Bei der ßildung von Tagesmitteln, in die normalerweise 12-15 Werte eingehen, reduziert sich dieser Fd1ler dann auf

!cm/.•,

bzw. auf 2cm/s für die Zirkulation um ein Dreieck herum.

Abbildung 2.20 1.dgt die Ergebnisse dieser Analyse in Form von mittleren Strömungen um das Dreieck T2-T3-T5 herum. Nach <ler Tagesmittelung bleiben nicht viele Punkte

4

Abbildung 2.20: Mittlere zyklonale Zirkulationsströmung um das Dreieck T2-T3-T5 als Tagesmittelwerte zu Zeiten, bei denen alle drei Geräte arbeiteten und ausreichende reziproke Daten lieferten. Der Mittelwert vor und nach der Konvektion ist durch die beiden Punkte gegeben, deren geschätztes Feh-lerintervall am Bildrand markiert ist.

übrig, da die Zirkulation nur für Perioden bestimmbar ist, in denen alle Geräte arbeiteten und ausreichend gute Daten lieferten. Trotzdem ist das Ergebnis eindeutig: Es gibt keine signifikanten Änderungen in der Zirkulation nachdem die Konvektion stattgefunden hat.

Da die Fehlergrenze für das Mittel der beiden Perioden in dem Bild bei lcm/ s anzusetzen ist, läßt sich quantifizieren, daß größere Zirkulationen als dieser Wert nicht aufgetreten sind. Die Strecke um das Dreieck beträgt ungefähr 350km, dessen Fläche etwa 5.5 x 10⁹m²,

und damit entspricht nach (2.9) eine Zirkulation von lcm/ s einer mittleren Vorticity von 0.5 x 10-⁶s-^{1 :::::} 0.005/. Bei Anwendung der Erhaltung der potentiellen Vorticity ((

+

1)/h auf das Volumen des Konvektionsgebietes²¹ ergibt dies eine mittlere Abwärtsbewegung von unter 5m über die oberen lOOOm, oder einen vertikalen Volumen.fluß von höchstens 0.0015Sv gemittelt über das Jahr. Die beobachtete mittlere relative Vorticity ist auch kleiner als der Wert, der bei Schallausbreitung genau innerhalb des Strombandes auftreten würde - konsistent mit der Konzentration der kleinen vorhandenen Vorticity in dieser Strömung. Diese Ergebnisse aus den Tomographiebeobachtungen bestätigen damit die Skalierungen, das Vermischungsbild der Konvektion sowie das Fehlen eines signifikanten Abwärtstransportes.

Eine weitere Anwendung der Strömungsanalysen ist die Suche nach dem Prozeß, der das oberflächennahe geschichtete Wasser innerhalb weniger Tage in das Konvektionsgebiet bringt. Dazu wurden die radialen Strecken T2-T6, T3-T6 und T5-T6 ausgewertet. Abbil-dung 2.21 zeigt das Ergebnis in jeder Richtung, zusammen mit einigen Strömungsmesser-Zeitserien aus der gleichen 0-150m Schicht. Positive Werte bedeuten Bewegung zum Kon-vektionszentrum (T6) hin. Man sieht, daß es keinerlei Anzeichen für einen großräumigen

21für kleine ( ist dies äquivalent mit Gleichung (2.!)

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Abbildung 2.21: Radiale Komponente der oberflächennahen Strömungen (positiv in das Konvektionsgebiet hinein) zwischen T3-T6, T2-T6, T5-T6. Dicke Linie:

Tomographieinversion (die Fehlerabschätzung ist am Rande markiert), gepunktet: Strömungsmesser auf den begrenzenden Verankerungen, ge-strichelt: Mittel der Strömungsmesser.

Einstrom zum Inneren gibt, der das schnelle Erscheinen der Oberflächen'linsen' erklären könnte. Der verantwortliche Prozeß bleibt damit weiterhin offen.

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2.3 Diskussion und Konsequenzen

Im Dokument unter Untersuchungen (Seite 66-70)