Tiefenzirkulation und Vermischung im nordwestlichen Arabischen Meer

a) Tiefenzirkulation im nordwestlichen Arabischen Meer

Die Untersuchung der Tiefenzirkulation wurde mit der Zielsetzung durchgeführt, die Ausbreitung des im westlichen Indischen Ozeans nach Norden setzenden Randstroms zu beschreiben, und einen möglichen Einfluß des Monsuns auf die Tiefenzirkulation abzuschätzen (Dengler, 2000; Dengler et al., 2002). Die Tiefenzirkulation im nördlichen Somalibecken stellt sich als eine schwache zyklonale Randstromzirkulation dar. Am nördlichen Kontinentalfuß des Beckens wurde anhand der Verankerungszeitserien ein nach Westen gerichteter Randstrom mit einer Breite von 100km und einer mittleren Geschwindigkeit von 0,01ms^-1 bis 0,02ms^-1 festgestellt (Abb. 5). Der Randstrom erstreckt sich vom Boden bis in eine Tiefe von 3500m. Der mittlere Transport wurde mit 1,4 Sv bestimmt. Dieser Wert liegt in der Größenordnung des Einstromtransports in das Somalibecken und entspricht etwa 5% der Produktionsrate von Tiefenwasser im globalen Ozean. Die Variabilität der Tiefenzirkulation ist um einen Faktor 4 höher als die mittlere Randstromgeschwindigkeit. Diese wird vorwiegend durch Fluktuationen mit Perioden von 30 bis 50 Tagen hervorgerufen (Abb. 5). Die unterschiedlichen Ergebnisse früherer Untersuchungen zur Tiefenzirkulation im Somalibecken können durch die hohe Variabilität erklärt werden. Die hier beschriebene Tiefenzirkulation im nördlichen Somalibecken ist im Einklang mit dem Konzept von Stommel und Arons.

b) Vertikale Vermischung im Arabischen Meer

Die Quantifizierung der vertikalen Vermischung durch interne Wellen mit Hilfe von Feinstrukturmessungen ist erst in den letzten Jahren möglich geworden (Polzin et al., 1995).

Diese neuen Erkenntnisse wurden zur Berechnung der vertikalen Vermischung eingesetzt

10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 Arabian Basin data Carlsberg Ridge data mean Somali Basin mean Arabian Basin mean Carlsberg Ridge GM

Abschlußbericht TP Willebrand et al.

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(Dengler, 2000). Im nordwestlichen Arabischen Meer zwischen 3°N und 15°N wurde ein mit der Tiefe stark zunehmender vertikaler Austauschkoeffizient festgestellt. In Tiefen unterhalb von 3000m im Somalibecken ist der Erwartungswert K_ρ=1x10^-4m²s^-1. Über dem Arabischen-Indischen Rücken und im westlichen Arabischen Meer werden in diesen Tiefen noch höhere Werte von K_ρ=3-4x10^-4m²s^-1 beobachtet (Abb. 5). Diese Austauschkoeffizienten liegen um einen Faktor 10 bis 40 über den normalerweise in größeren Tiefen des Ozeans vorgefundenen Werten.

Weiterhin ist der erhöhte Austausch nicht nur auf die unmittelbare Umgebung von topographischen Änderungen beschränkt, sondern läßt sich auch in größerer Entfernung davon beobachten. In dem Gebiet zwischen 3°N und 15°N läßt sich der Austauschkoeffizient durch die Schichtung mit K_ρ ~N^-2,25 parametrisieren. Üblicherweise im Ozean vorgefundene Verteilungen des vertikalen Austauschkoeffizienten sind unabhängig von der Schichtung und damit auch von der Tiefe verteilt. Die in der Tiefe stark erhöhte vertikale Vermischung und der damit verbundene erhöhte vertikale Wärmefluß in die Tiefe balanciert den erhöhten Einstrom von kaltem Wasser in das Arabische Meer. Ein Veröffentlichung dieser Ergebnisse ist in Vorbereitung (Dengler et. al., 2002b).

2.1.5 Subduktion

a) Abschätzungen der Subduktionsrate

Die Transporte, die mit der Ventilation der Thermoklinen des Indischen Ozeans verbunden sind, wurden aus hydrographischen und Tracer Daten aus dem WOCE Projekt sowie klimatologischen hydrographischen Daten in Kombination mit meteorologischen Datensätzen untersucht (Karstensen und Quadfasel, 2002a). Der Transport von Wasser aus der vermischten Oberflächenschicht in die permanente Thermokline setzt sich aus drei Komponenten zusammen:

Dem vertikalen Eintrag durch die Rotation des Windfeldes (Ekman pumping), den horizontalen Eintrag durch Advektion über die geneigte Untergrenze der vermischten Oberflächenschicht, der im Bereich von Fronten dominiert, sowie dem transienten Transport durch das ozeanische Wirbelfeld. Für den südlichen Indischen Ozean konnte ein Gesamteintrag von ca. 35 Sv (1 Sv = 106 m³ s^-1) ermittelt werden, der etwa zu gleichen Teilen durch vertikale und horizontale Flüsse bedingt ist, während die Beiträge durch Wirbel vernachlässigbar klein sind. Die Studie konnte auf alle drei Ozeane der Südhemisphäre ausgeweitet werden: Im südlichen Atlantik wurden dabei ca. 20 Sv und im südlichen Pazifik ca. 45 Sv Transport ermittelt (Karstensen und Quadfasel, 2002b), in Kombination mit früheren Abschätzungen für die Transporte in der Nordhemisphäre (Qiu and Huang 1995) ergibt sich so global ein Eintrag von ca. 160 Sv. Obwohl dieser Transport fünf bis sechs mal größer ist als die momentane Tiefen- und Bodenwasserproduktion in den Polarregionen, sind die mit ihr verbundenen Ventilationszeiten von 10 bis 30 Jahren weitaus kürzer.

b) Interannuale Variabilität

Neben der Bestimmung der Transporte aus hydrographischen Daten besteht auch die Möglichkeit aus der Kenntnis über den Austausch an der Grenzschicht Ozean/Atmosphäre die Wassermassenformation und damit die Transporte zu ermitteln. Da dieses Verfahren nur auf die Kenntnis des atmosphärischen und ozeanischen Zustands an der Grenzfläche angewiesen ist und diese Daten z.B. aus Assimilationsmodellen vorliegen, konnten die Transporte zeitlich weitaus

Abschlußbericht TP Willebrand et al.

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höheraufgelöst untersucht werden, um Schwankungen festzustellen. Dabei wurde zunächst sichergestellt das im Mittel eine gute Übereinstimmung zwischen beiden Verfahren besteht (Karstensen und Quadfasel, 2002a,b). Basierend auf den NCEP/NCAR Reanalyse Daten für den Zeitraum 1950 bis 1999 wurden so für alle Ozeane der Südhemisphäre deutliche Anstiege in der Formation von Thermoklinenwasser von ca. 40% ermittelt (Abb. 6). Ein Anstieg von Thermoklinenwasser stimmt qualitativ mit Untersuchungen basierend auf hydrographischen Daten überein (Levitus et al., 2000). Räumlich sind die Veränderungen hauptsächlich an der äquatorwertigen Seite der Subduktionszonen zu suchen und hängen vermutlich mit Schwankungen im Windfeld und den damit einhergehenden Wärmeflußschwankungen zusammen.

Abb. 6: Zeitserie der Formation von Thermoklinenwasser in der Südhemisphäre. Die Berechnungen

basieren auf Wärmeflüssen aus dem NCEP/NCAR Reanalyse Projekt, variablen Oberflächen-temperaturen (basierend auf Reynolds and Smith 1995) und langzeit Monatsmittelwerten des Oberflächensalzgehaltes (World Ocean Atlas, NODC, USA).

2.1.6 Klimaschwankungen, der sog. "Ind. Ozean Dipol-Mode"

Nachdem 1993/94 und 1997/98 starke Anomalien im Windfeld über dem Indischen Ozean und in seiner Schichtung beobachtet worden sind, wurde aus diesen und früheren Beobachtungen die Existenz eines Dipol-Modes diagnostiziert (Saji et al., 1999; Webster et al., 1999), der unabhängig vom pazifischen El Nino Southern Oscillation (ENSO) Phänomen sein soll (dies ist aber noch nicht ausdiskutiert). Dieser Dipol-Mode äußert sich dadurch, daß der Indische Ozean sich für etwa ein halbes Jahr verhält wie der Atlantik und Pazifik, d.h. daß es westwärtige Winde über der östlichen Tropenzone gibt und entsprechend Auftrieb und kaltes Oberflächenwasser entlang des Äquators im Osten. Nordöstlich von Madagaskar bildet sich eine Konvergenz mit

Abschlußbericht TP Willebrand et al.

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positiven Wasserstandsanomalien heraus sowie Sprungschichtabsenkung und Erwärmung. Diese Erwärmung ist signifikant mit Niederschlagsanomalien über Ostafrika korreliert (Reason und Mulenga, 1999) und daher ist für die Anlieger gerade eine Untersuchung dieser Region in SOCIO von besonderem Interesse in Hinsicht auf verbesserte Vorhersagbarkeit. Es ist damit begonnen worden, diese Schwankungen mit dem "Simple Ocean Data Assimilation" (SODA) Modell von Carton et al. (2000) zu untersuchen. Das SODA-Modell ist global, angetrieben mit NCEP Windstress und Wärmeflüssen und es werden Altimetrie, Reynolds SST sowie die XBT-Daten der WOCE Linien assimiliert. Eine erste Arbeit zu den zwischenjährlichen Schwankungen (Xie et al., 2002) ist erschienen. Darin sind besonders die Rolle von Rossbywellen im "remote forcing" von Osten her anhand von Korrelationen zwischen SST im zentralen und westlichen Becken einerseits sowie Oberflächenschwankungen weiter im Osten untersucht worden. Daraus wurde geschlossen, daß die gegenwärtige Beweislage eher auf eine Erzeugung durch den Pazifischen ENSO als auf einen unabhängigen Mode im Indischen Ozean hindeutet.