Oceaancirculatie en
klimaat
Andreas Sterl
Met dank aan
Caroline Katsman
KNMI
http://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a010800/a010841/
Ocean productivity:
the imprint of physics on biology
http://seawifs.gsfc.nasa.gov/SEAWIFS.html
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
The role of the ocean in the climate
system
• reservoir of water => evaporation => precipitation
(hydrological cycle)
• storage, transport and release of
• heat (large heat capacity!)
• CO2
• nutrients
=> maritime vs continental climates
• coupled variability
• interaction with sea and land ice
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
opwarming oceaan
visualisatie op basis van
cijfers IPCC (2007) voor 1993-2003
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
warmtetransport in de oceaan
50% van het totale warmtetransport vindt plaats in de oceaan
●
thermohaliene circulatie
⇒ Atlantische Oceaan
naar het noorden!
●
windgedreven gyres
⇒ Stille Oceaan
●
wervels
⇒ Zuidelijke Oceaan
[Trenberth and Caron, 2001]
60 S
EQ
60 N
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Observations
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
(i) observaties
hydrografische secties:
• CTD (Conductivity-TemperatureDepth)
• XBT (eXpandable
BathyThermograph)
• water monsters
(zuurstof/nutrienten/calibratie CTD)
verankerde meetinstrumenten:
• stroommeters
• CTD-sensoren
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
(i) observaties
satellieten:
• hoogte zeeoppervlak ⇒ stromingen
• temperatuur oppervlak
• kleur zeewater (plankton)
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
(i) observaties
satellieten:
• hoogte zeeoppervlak ⇒ stromingen
• temperatuur oppervlak
• kleur zeewater (plankton)
autonome instrumenten:
• drifters ⇒ oppervlakte
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
(i) observaties
satellieten:
• hoogte zeeoppervlak ⇒ stromingen
• temperatuur oppervlak
• kleur zeewater (plankton)
autonome instrumenten:
• drifters ⇒ oppervlakte
• profiling floats ⇒ 2 km diepte
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Argo float netwerk
Andreas
Sterl, college Nijmegen
oktober 2013- 3600
floats
18.09.2014
float tracks en profielen
Middellandse Zee Water
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Section
Med
NADW
AABW
zoutgehalte WOCE sectie A16 (25 W, Atlantische Oceaan)
→ laatste contact met de atmosfeer bepaalt karakteristieken (T, S, O2, ....)
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Large-scale circulation
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
grootschalige oceaancirculatie
●
aangedreven aan het oppervlak, door fluxen van
●
impuls
(wind)
●
warmte
(straling, verdamping, voelbare warmte)
●
zoet water
(verdamping / neerslag)
⇒ dichtheid ρ = functie(T,S,p)
Oppervlak (~ 1000 m):
windgedreven circulatie
diepzee:
thermohaliene of
dichtheidsgedreven circulatie
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Some basics: equations of motion I
Newton: F
= m a = m dv/dt,
v = (u,v,w)
continuum vs point mechanics:m => ϱ
Eulerian vs Lagrangian view: dv/dt => ∂v/∂t + v∇v
rotation => Coriolis force:
f k x v, f = 2 Ω sin φ
=> f > 0 on NH, f < 0 on SH !
Forces
pressure gradient – ∇p
dissipation
–D
gravity
– gk
wind stress
+τ
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Some basics: equations of motion II
Putting everything together
∂v/∂t + v∇v = – (1/ϱ) ∇p – f k x v – D – gk + τ
Often, inertia (v∇v) small => neglect
Usually, D small => neglect
Usually, w small => neglect
∂u/∂t = – (1/ϱ) ∂xp + f v + τx
∂v/∂t = – (1/ϱ) ∂yp – f u + τy
0 = – (1/ϱ) ∂zp – g
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Hydrostatic approximation
∂u/∂t = – (1/ϱ) ∂xp + f v + τx
∂v/∂t = – (1/ϱ) ∂yp – f u + τy
0 = – (1/ϱ) ∂zp – g
3rd equation: hydrostatic approximation
∂zp = – ϱg
decoupling of vertical and horizontal equations reduction of 3D problem to 2D problem
w from continuity:
∇v = 0
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Geostrophy
∂u/∂t = – (1/ϱ) ∂xp + f v + τx
∂v/∂t = – (1/ϱ) ∂yp – f u + τy
steady state (∂/∂t = 0), no ext. forces
u = – (1/fϱ) ∂yp
v = + (1/fϱ) ∂xp
(geostrophy, Buys-Ballot)
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
β-effect
∂u/∂t = – (1/ϱ) ∂xp + f v + τx
∂v/∂t = – (1/ϱ) ∂yp – f u + τy
f = f(y) => f = f0 + βy
⇒ Asymmetry (only expl. dep. on y) in eqs. (β-effect) => westward
intensification
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
westelijke versterking
oorzaak: variatie van de aardrotatie met de breedtegraad
[Stommel, 1948]
wind
f = constant
f = 2 sin ϴ
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Ekman transport I
∂u/∂t = – (1/ϱ) ∂xp + f v + τx
∂v/∂t = – (1/ϱ) ∂yp – f u + τy
Part of velocity driven by τ:
τx => – v, τy => u
=> transport at right angles to stress (Ekman transport)
Stress varying => con/divergence => down/upwelling (Ekman
pumping) => biological activity
Coastal upwelling
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Coastal upwelling
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Ekman transport II
W
een ijsberg drijft niet met de wind mee !
[Nansen, 1898]
v
C
Wind + Frictie + Coriolis = 0
stroming aan het oppervlak maakt een
hoek van 45° met de wind; hoe dieper hoe
groter de hoek
F
massatransport loodrecht op de wind
[Ekman, 1902]
windgedreven gyres in de oceaan worden
veroorzaakt door ruimtelijke variaties in
het Ekman transport [Sverdrup, 1947]
~100
m
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
M
Ocean productivity:
the imprint of physics on biology
http://seawifs.gsfc.nasa.gov/SEAWIFS.html
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
windgedreven circulatie
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Wind climate
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Wind-driven circulation
gyres (grootschalige wervels)
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Wind-driven circulation
gyres (grootschalige wervels)
sterke stromingen aan de westkant van de bassins
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Wind-driven circulation
gyres (grootschalige wervels)
sterke stromingen aan de westkant van de bassins
sterke stroming helemaal rond Antarctica (ACC)
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
variabiliteit windgedreven circulatie
fluctuaties / wervels
●
~ 100 km, tijdschaal: weken-jaren
●
ontstaan door
●
variaties windforcering
●
instabiliteit oceaanstroming
van belang voor
●
warmtetransport
●
menging
●
dissipatie
Labrad
warm-core ring
or
Stroom
Golf
Stroom
cold-core
ring
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
thermohaliene circulatie
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Thermohaliene circulatie
stromingen gedreven door variaties in dichtheid (T, S)
upwelling
z
diepe
convectie
verspreiding
EQ
• geometrie bassins / forcering bepalen waar convectie optreedt
• eigenschappen van het ‘convectieve eindproduct’ verschillen
→ specifieke watermassa’s op karakteristieke diepte
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
de transportband van de oceaan
‘The great ocean conveyor’ [Broecker, 1991]
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
convectieve watermassa’s
Med
NADW
NADW
AABW
AABW
AABW:
koud (-2 °C)
•zoet (34.6 ‰)
NADW:
warm (+2 °C)
zout (35 ‰)
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
meervoudige evenwichten
temperatuur-gedreven
sterkte
circulatie
T
zout-gedreven
T of S
S
verhouding
S/T-forcering
Andreas
Sterl, college
Nijmegen
18.09.2014
variabiliteit thermohaliene circulatie
●
●
interne processen:
oscillaties thermohaliene
circulatie (~50-1000 jaar)
externe processen: overgangen tussen
meervoudige evenwichten
glaciatie/deglaciatie ⇒ smeltwater ⇒ sterkte thermohaliene
circulatie (~20-100 jaar)
• Younger Dryas (12-13.000 BP):
- Groenland:
-15°C
- West-Europa: -5°C
⇒ reductie thermohaliene circulatie
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
warmtetransport in de oceaan
50% van het totale warmtetransport vindt plaats in de oceaan
●
thermohaliene circulatie
⇒ Atlantische Oceaan
naar het noorden!
●
windgedreven gyres
⇒ Stille Oceaan
●
wervels
⇒ Zuidelijke Oceaan
[Trenberth and Caron, 2001]
60 S
EQ
60 N
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
oceaan en klimaatverandering
zeespiegelstijging
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
zeespiegelstijging
nieuw water
●
smelten ijskappen Antarctica en Groenland
●
smelten gletsjers en landijs
●
veranderingen in hydrologische cyclus (rivierafvoer,
bodemvocht, grondwater, stuwmeren)
oud water
●
thermische expansie
20e eeuw: ~20 cm
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Wereldwijde zeespiegelstijging
peilschalen:
18 ± 5 cm / eeuw
satellieten:
32 ± 4 cm / eeuw
[1993 - 2014],
waarvan helft uitzetting
trend of tijdelijke
versnelling?
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Regional differences in sea level rise
linear trend in sea level over the
satellite era (1993-2014)
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Oorzaken lokale verschillen
1.
(veranderingen in) wind patronen
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Oorzaken lokale verschillen
1.
2.
(veranderingen in) wind patronen
(veranderingen in) oceaanstromingen
Golf Stroom
H
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
© NASA
Oorzaken lokale verschillen
1.
2.
3.
(veranderingen in) wind patronen
(veranderingen in) oceaanstromingen
(veranderingen in) zwaartekrachtsveld
Sterl,
college
Nijmegen
© KNMI,Andreas
m.m.v.
Bert
Vermeersen
(TU Delft)
18.09.2014
Oorzaken lokale verschillen
1.
2.
3.
(veranderingen in) wind patronen
(veranderingen in) oceaanstromingen
(veranderingen in) zwaartekrachtsveld
Andreas Sterl, college Nijmegen
© KNMI,
m.m.v. Bert Vermeersen (TU Delft)
18.09.2014
Oorzaken lokale verschillen
1.
2.
3.
(veranderingen in) wind patronen
(veranderingen in) oceaanstromingen
(veranderingen in) zwaartekrachtsveld
± 2200 km
± 6700 km
Andreas Sterl, college Nijmegen
© KNMI,
m.m.v. Bert Vermeersen (TU Delft)
18.09.2014
Sea level rise - regional differences
2081-2100 – 1986-2005; mean: 51 cm
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
[Slangen et al. (2014)]
KNMI’14 climate change scenarios
Local (North Sea) sea level rise between 28 and 100 cm
(2100 wrt. 1986-2005 mean)
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
CO2
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Stijging CO2
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Uptake of CO2
●
●
●
about 1/3 of the CO2
emitted into the
atmosphere is absorbed
by the ocean
flux ~ pCO2oce – pCO2atm
solubility and thus pCO2oce
depend on temperature
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Basic inorganic carbon chemistry
●
●
●
●
pure water:
● CO
+ H2O <-> H+ + HCO3—
2
● HCO — <-> H+ + CO 2—
3
3
sea water:
● CaCO
<-> Ca2+ + CO32—
3
(1) => acid (beer!)
(2)
(3)
if H+ is added to the ocean (1), it will consume CO32— (2),
reducing the increase of H+ (buffering),
but this will lead to dissolution of CaCO3 (3), harming calcite
structures (shells, corals, etc)
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
CO2, pCO2, and pH
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
CO2 distribution in ocean
solubility pump: CO2 is redistributed, depending on
solubility (temperature)
biological pump: C is removed from surface by sinking
of dead organisms
●
largest part is remineralised
●
small part is buried in sediments
● => net removal of CO
from atmosphere
2
slow process => century time-scale for lowering CO2 in
the atmosphere
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Ocean carbon cycle
www.who.edu
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Nutrients
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
organic matter production: light, nutrients and O2
organic matter: C : N : P = 106 : 16 : 1 (Redfield ratio)
N and P are recycled within the ocean (sources small)
recycling in euphotic zone
they sink with dead organic matter (biological pump)
they are released during remineralisation
they are redistributed by currents
N and P have different chemistry => their distributions
differ
return to surface by upwelling and deep mixing
their distribution is a result of biological, chemical, and
physical processes
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Net Primary Productivity
http://www.learner.org/courses/envsci
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Coupled variability - ENSO
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
ENSO
ENSO = El Niño Southern Oscillation
El Niño: 3-7 yr variability of SST in eastern tropical Pacific
Southern Oscillation: SLP sea-saw between Darwin and Tahiti
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
El Niño
Nino3.4 index
SST anomaly
170°W - 120°W, 5°S - 5°N
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Southern Oscillation
= pressure difference between
Darwin and Tahiti
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
ENSO
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Three phases of ENSO
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
ENSO and
Kelvin Waves
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
ESNO Teleconnections
Typical El Niño Effects: June Through August
Typical El Niño Effects: December Through
February
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Interaction with (sea) ice
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Sea ice
●
●
●
●
floating on surface (=> no impact on sea level)
low salinity
●
brine rejection => mixing
●
net freshwater transport
high albedo => strong feedback
insulator => energetic decoupling of atmosphere and ocean
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Land ice
influences sea level
outlet glaciers: melting from below (effective oceanic heat
transport)
grounding-line retreat => collapse
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
Basal melting
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014
The role of the ocean in the climate
system
• reservoir of water => evaporation => precipitation
(hydrological cycle)
• storage, transport and release of
• heat (large heat capacity!)
• CO2
• nutrients
=> maritime vs continental climates
• coupled variability
• interaction with sea and land ice
http://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a010800/a010841/
Andreas Sterl, college Nijmegen
18.09.2014