- Titel
- Changes of the Arctic Ocean halocline and its relationship to Arctic climate change
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-952393
- Datum der Einreichung
- 12.06.2024
- Datum der Verteidigung
- 04.11.2024
- Abstract (DE)
- Die kalte Halokline spielt eine entscheidende Rolle bei der Schichtung im Arktischen Ozean, indem sie das Meereis oberhalb der gemischten Oberflächenschicht (SML) von der Wärme des Atlantikwassers (AW) darunter trennt. Dies ist auf die starken vertikalen Salzgehalts- und Dichtegradienten der Schicht zurückzuführen, die für große Stabilität sorgen. Allerdings ist diese Schicht nicht so beständig wie erwartet, wie Beobachtungen zeigen (z.B. Steele and Boyd, 1998; Björk et al., 2002; Polyakov et al., 2017). Gerade im Zusammenhang mit dem Klimawandel und der Arktischen Verstärkung (Arctic Amplification) ist eine kontinuierliche Beschreibung und verlässliche Bestimmungsmethode der Halokline wichtig. In dieser Arbeit wurden verschiedene Perspektiven zur Analyse der arktischen Halokline eingenommen. Der Schwerpunkt liegt auf der Repräsentation und Erkennung der Halokline-Schicht in Ozeanzirkulationsmodellen und Beobachtungen. Zunächst wird der Zusammenhang zwischen Energieflüssen an der Ozean-bzw. Eisoberfläche und der Beständigkeit der Halokline in einem Ensemble von 15 Ozeanzirkulationsmodellen aus dem Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 untersucht. Dabei wird in den Klimaprojektionen ein Anstieg des Oberflächenenergieflusses festgestellt, der lokal nicht ausgeglichen ist. Es wird angenommen, dass dies zum Teil durch eine signifikante Abnahme der Persistenz der Halokline-Schicht in den Modellen verursacht wird, was die von Polyakov et al. (2018) beschriebene Idee der “Atlantifizierung” unterstützt. Um die Tiefe der Haloklinenunterkante zu bestimmen, wurden mehrere Methoden verwendet. Da die in der Masterarbeit des Autors vorgeschlagene Temperaturdifferenzmethode und die von Bourgain and Gascard (2011) vorgeschlagene, häufig verwendete Dichteverhältnismethode viele Artefakte erzeugen, wird in dieser Arbeit eine neue Methode entwickelt. Obwohl das Dichteverhältnis enger mit der Definition der Haloklinenschicht verbunden ist, basiert die neue Methode auf der vertikalen Stabilität, da sie eng mit der Rolle der Halokline, die vertikalen Durchmischung zu unterdrücken, zusammenhängt. Außerdem ist die neue Methode nicht auf die inneren Regionen des Arktischen Ozeans beschränkt und konnte zudem erfolgreich zur Erfassung des Beginns der Bildung einer neuen Halokline im westlichen Eurasischen Becken eingesetzt werden.
- Abstract (EN)
- The halocline layer plays a crucial role in the Arctic Ocean stratification by separating the sea ice on top of the surface mixed layer (SML) from the heat of the Atlantic Water (AW) below. This is due to the layer’s strong vertical salinity and density gradients, which provide great stability. However, this layer is not as persistent as expected, according to observations (e.g. Steele and Boyd, 1998; Björk et al., 2002; Polyakov et al., 2017). Especially in the context of climate change and Arctic amplification, a continuous description and reliable detection method of the halocline is important. In this thesis different perspectives are used to analyse the Arctic halocline layer. The focus is on the representation and detection of the halocline layer in ocean circulation models and observations. First, the relationship between energy fluxes at the ocean and ice surface and the persistence of the halocline is analysed in an ensemble of 15 ocean circulation models from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5. An increase in the surface energy flux is found in climate projections, which is not locally balanced. This is proposed to be caused partly by a significant decrease in the persistence of the halocline layer found in the models, supporting the idea of “atlantification” described by Polyakov et al. (2018). Various methods have been used to determine the depth of the halocline base. Since the temperature difference method proposed in the author’s master’s thesis and the commonly used density ratio method proposed by Bourgain and Gascard (2011) produce many artefacts, a new method is developed in this thesis. Although the density ratio is more closely related to the definition of the halocline layer, the new method is based on vertical stability as it is strongly associated with the role of the halocline in preventing vertical mixing. Furthermore, the new method is not limited to the inner regions of the Arctic Ocean and it has been successfully used to capture the beginning of a new halocline formation in the western Eurasian Basin.
- Verweis
- Arctic Ocean surface energy flux and the cold halocline in future climate projections
Thesisautor = Erstautor des Papers
Link: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019JC015554
DOI: 10.1029/2019JC015554 - Technical note: Determining arctic ocean halocline and cold halostad depths based on vertical stability
Thesisautor = Erstautor des Papers
Link: https://os.copernicus.org/articles/19/1453/2023/
DOI: 10.5194/os-19-1453-2023 - Forschungsdatenverweis
- JKriging
DOI: 10.5281/zenodo.7572759
Link: https://github.com/spatzewind/JKriging/tree/v0.0.4 - Freie Schlagwörter (DE)
- Arktischer Ozean, Halokline
- Freie Schlagwörter (EN)
- Arctic Ocean, halocline
- Klassifikation (DDC)
- 530
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Universität Leipzig, Leipzig
- Version / Begutachtungsstatus
- angenommene Version / Postprint / Autorenversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-952393
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 17.01.2025
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Deutsch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY-NC 4.0- Inhaltsverzeichnis
1 Introduction 2 A models’ view on the Arctic Ocean surface energy flux and the temporal change of the cold halocline 2.1 Introduction 2.2 Materials and methods 2.2.1 Model data 2.2.2 Diagnostics 2.3 Results 2.3.1 Surface Energy Fluxes 2.3.2 Halocline Diagnostics 2.3.3 Spatial distribution of Halocline Thinning Events 2.3.4 Seasonality of Cold Halocline Thinning Events 2.3.5 Correlation with Sea Ice and inflow of Atlantic Water 2.4 Discussion 3 Evaluation of the halocline in the ICON-Ocean model using tracks and Arctic wide maps 3.1 Introduction 3.2 Model, data and methods 3.2.1 Model data from experimental ICON-Ocean model 3.2.2 Observational data 3.2.3 Kriging 3.2.4 Halocline layer diagnostics 3.3 Results 3.3.1 Comparison along ITP-tracks 3.3.2 Influence of model output frequency on estimated halocline properties 3.3.3 Arctic wide comparison 3.4 Discussion 4 A new method for the halocline base depending on vertical stability 4.1 Introduction 4.2 Methods and Data 4.2.1 Methods for estimating the halocline base depth 4.2.2 Cold halostad (CHS) boundary and center estimates 4.2.3 SML depth estimate 4.2.4 Data and preprocessing 4.3 Results 4.3.1 Comparison of methods for deriving halocline base depth using case studies 4.3.2 Statistical comparison of the halocline base depth and occurrence frequency from different methods 4.3.3 Estimation of cold halostad boundaries 4.4 Discussion 5 Trend of the halocline structure in the Arctic ocean from observations 5.1 Introduction 5.2 Methods 5.2.1 Halocline layer boundary depths 5.2.2 Data 5.2.3 Empirical Orthogonal functions of the stability profile 5.2.4 Trend-analysis 5.3 Results 5.3.1 Stability structure within the halocline 5.3.2 EOF coefficient trends 5.3.3 Trends of the SML and halocline base depths 5.4 Discussion 6 Summary and Conclusions Appendices A Appendix A B Appendix B C Appendix C D Appendix D References List of abbreviations and acronyms List of tables List of figures Acknowledgement