Zum Einfluß des Entrainmentprozesses auf die Dynamik der Oberflächenschicht in einem tropisch-subtropischen Ozean

Zusammenfassung

Für einen baroklinen stationären Zweischichtenozean in der äquatorialen β-Ebene werden die Gleichungen für den horizontalen Transport von Masse und Enthalpie sowie die Kontinuitätsgleichung abgeleitet. Diese gelten nur für die relativ dünne warme Oberschicht des Ozeans, in welcher die Temperatur vertikal konstant ist. Die Unterschicht wird als bewegungslos und beliebig tief angenommen; sie ist von der Oberschicht durch einen Dichtesprung getrennt. Im Niveau der Grenzfläche tritt laufend kaltes Tiefenwasser von der Unterschicht in die Oberschicht; es wird dort angewärmt durch die Nettoenergiezufuhr, welche die Oberschicht durch die Meeresoberfläche hindurch empfängt (Summe aus Strahlungsflußdivergenz und Flüssen fühlbarer und latenter Wärme). Der vertikale Massenzustrom in die Oberschicht hinein (“Entrainment”) läßt sich beschreiben durch eine abwärts gerichtete Vertikalgeschwindigkeit der Grenzfläche von der Ordnung 10⁻⁵ cm/s. Er wird balanciert durch einen horizontalen Massenausstrom senkrecht zu den zonalen Grenzen des Modells, was eine stationäre Zirkulation ermöglicht.

Der Windschub an der Meeresoberfläche, die Nettoenergiezufuhr sowie der Entrainmentprozeß, für den in der Literatur bereits Parametrisierungsansätze vorliegen, werden als fest vorgegebene Antriebsfunktionen des Modells angesehen und die dynamischen Konsequenzen daraus geprüft. Für den Spezialfall verschwindender Zonalgradienten („inneres Ozeanregime”) ergeben sich Meridionalverteilungen des Massentransports, der Dicke der Oberschicht sowie der Temperatur, die mit den Beobachtungen übereinstimmen. Insbesondere entwickelt das Modell einen Äquatorialgegenstrom sowie ein relatives Temperaturminimum am Äquator. Daraus wird geschlossen, daß der Entrainmentmechanismus charakteristische Züge der ozeanischen Oberflächenzirkulation in tropisch-subtropischen Breiten korrekt beschreibt.

Summary

The equations for the horizontal transport of mass and enthalpy as well as the continuity equation are derived for a baroclinic and stationary two-layer ocean on the equatorial β-plane. These equations apply only to the relatively thin and warm oceanic surface layer where the temperature is vertically constant. The lower layer is stipulated to be motionless and arbitrarily deep; it is separated from the upper layer by a density discontinuity. Cold deep water is constantly carried across the level of this interface from the lower into the upper layer; it becomes warmed up there by the net energy input from the atmosphere into the ocean (algebraic sum of incoming radiation flux divergence and outgoing fluxes of sensible and latent heat). The vertical mass flux into the upper layer (“entrainment”) is described by a downward velocity of the interface which is of the order 10⁻⁵ cm/s. It is balanced by a horizontal mass outflux across the zonal boundaries of the model which allows for a stationary circulation.

The sea surface wind stress, the net energy input and the entrainment mass flux are considered to be specified functions of the model; the large-scale dynamical implications of this system are investigated, mainly in order to clearify the role of the entrainment mechanism for which parametrizations, but no direct measurements, are available in the literature. Analytical solutions for the special case with no zonal gradients (internal ocean regime) are obtained; they show meridional distributions of horizontal mass transport, slab thickness, and temperature which are in accordance with observations. In particular, the model develops an equatorial countercurrent as well as a relative temperature minimum at the equator. It is concluded, therefore, that the entrainment concept properly describes certain characteristic features of the oceanic surface circulation in tropical-subtropical latitudes.

Résumé

On établit les équations pour le transport horizontal de masse et d'enthalpie ainsi que l'équation de continuité stationnaire barocline, pour un océan à deux couches, dans le plan β équatorial. Ces équations ne sont valables que pour la couche supérieure chaude, relativement mince de l'océan, dans laquelle la température verticale est constante. On admet que la couche inférieure est immobile et d'une profondeur quelconque; elle est séparée de la couche supérieure par une discontinuité de la densité. Au niveau de la surface de séparation, de l'eau froide profonde s'écoule continuellement de la couche profonde dans la couche superficielle; elle y est réchauffée par l'apport net d'énergie que la couche supérieure reçoit à travers la surface de la mer (somme algébrique de la divergence de flux de rayonnement et des flux de chaleur sensible et latente). Le flux de masse vertical pénétrant dans la couche supérieure («l'entraînement»), peut être représenté par une vitesse dirigée vers le bas de la surface de séparation qui est de l'ordre de 10⁻⁵ cm/s. Il est compensé par un flux de masse sortant horizontal, perpendiculaire aux limites zonales du modèle, ce qui rend possible une circulation stationnaire.

On considère que l'action du vent à la surface de la mer, l'apport net d'énergie et le processus d'entraînement—dont la paramétrisation a déjà été traitée par d'autres auteurs-, sont des fonctions spécifiques du modèle, et l'on en vérifie les conséquences dynamiques. Dans le cas spécial de la disparition de gradients de zone (régime océanique intérieur), on obtient des distributions méridionales du transport de masse, de l'épaisseur de la couche supérieure ainsi que de la température, qui concordent avec les observations. En particulier le modèle développe une contrecourant équatorial ainsi qu'un minimum relatif de température à l'équateur. On en tire la conclusion que le mécanisme d'entraînement donne une description correcte des caractéristiques de la circulation des eaux de surface océanique aux latitudes tropicales-subtropicales.