Estimating the influence of advection during FLEX’76 by means of a three- dimensional shelf sea circulation model

Summary

In order to demonstrate the skill of the three-dimensional baroclinic shelf sea model used in this study, a validation using temperature profiles measured during FLEX ’76 was performed first. It is generally known that the behaviour of the model depends decisively on the determination of the vertical eddy viscosity. A second order closure scheme originally developed by Kochergin [1987] gave very satisfactory results. For the validation, FLEX ’76 data were of particular value because they cover the period of thermocline formation, i.e. the spring period when the thermal structure in the model reacts very sensitively to the characteristics of the turbulence scheme. The three-dimensional model results exhibit a tidally induced variability due to advection of water masses with slightly different temperatures from the vicinity into the FLEX water column. However, unsmoothed FLEX data available on a 6-hourly basis also show clear indications of sub-diurnal oscillations.

Subsequently, the results of the fully three-dimensional model run are compared with the results obtained with a simulation in which advection of temperature is neglected. This comparison demonstrates that the main assumption of the FLEX experiment, i.e. the strong dominance of local processes, is justified in principle. The advective influences are astonishingly small, especially in the upper part of the water column where wind and heating effects are dominant. The strongest changes are produced at the thermocline, where small advective displacements cause large temperature differences. Below the thermocline, advection creates moderate changes on the order of ±0.2 ‡C.

Furthermore, the discussion of velocity and vertical eddy viscosity profiles underlines that the use of tidal forcing in the model is essential for an accurate representation of processes in the water column. While in a simulation incorporating tidal forcing the tidal currents are dominant below the wind-influenced layer, the dominant role in non-tidal runs is played by inertial oscillation which is of the same order of magnitude as the tidal currents. Both oscillations are masked in the presence of strong winds, which determine currents in the surface layer. These significant differences in the velocity profiles also produce notable differences in the system’s kinetic energy and in the vertical viscosity; the latter is influenced decisively by the vertical velocity shear.

Finally, a comparison between one- and three-dimensional model runs demonstrates that the model results differ significantly. Especially the variability of kinetic energy shows considerable differences, which can be related to the interference between M_2- and inertial oscillation occurring only in the one-dimensional model. These differences may be attributed to the absence of horizontal viscosity in column models, causing a much weaker damping of the inertial oscillations compared with three-dimensional models.

Zusammenfassung

Das in dieser Studie verwendete Modell wird mit Hilfe wÄhrend FLEX ’76 gemessener Temperaturprofile validiert. Entscheidenden Einflu\ auf das Verhalten des Modells hat die vertikale Eddy-ViskositÄt. Es hat sich gezeigt, da\ mit einem Verfahren zweiter Ordnung von Kochergin [1987] sehr gute Resultate erzielt werden. Für die Modellvalidation sind die FLEX ’76-Daten besonders interessant, weil sie den Zeitraum des Sprungschichtaufbaues abdecken. Im Frühjahr reagiert die Temperaturverteilung des Wasserkörpers besonders empfindlich auf die Charakteristika des Turbulenzmodells. Die Ergebnisse des dreidimensionalen Modells weisen eine gezeitenerzeugte VariabilitÄt auf, die durch Advektion von Wassermassen mit leicht unterschiedlicher Temperatur in die FLEX-WassersÄule hinein verursacht wird. Auch die ungefilterten FLEXDaten, die als 6-stündliche Datenbasis vorliegen, weisen eindeutig Oszillationen unterhalb der Tagesperiode auf.

Anschlie\end werden die Resultate des vollstÄndigen dreidimensionalen Modellaufes mit denen verglichen, die ohne Berücksichtigung der Temperaturadvektion simuliert wurden. Dieser Vergleich zeigt, da\ die Hauptannahme des FLEX-Experimentes, nÄmlich die starke Dominanz lokaler Prozesse, im Prinzip gerechtfertigt ist. Die Differenzen sind erstaunlich gering, besonders im oberen Teil der WassersÄule, in welchem durch Wind und WÄrmeflüsse gesteuerte Prozesse dominieren. Die grö\ten Änderungen ergeben sich im Bereich der Thermokline, wo bereits eine geringe advektiv bedingte Verlagerung gro\e TemperaturÄnderungen verursacht. Unterhalb der Thermokline ruft die Advektion nur relativ geringe Änderungen von ca. ±0,2 ‡C hervor.

Au\erdem werden Vertikalprofile der Geschwindigkeit und der vertikalen Eddy-ViskositÄt diskutiert. Hierbei zeigt sich, da\ der Gezeitenantrieb eine entscheidende Bedeutung für die exakte Darstellung der Prozesse in der WassersÄule besitzt. WÄhrend in einer Simulation mit gezeitenantreibenden KrÄften die Gezeitenströmungen unterhalb der Thermokline das dominante Signal darstellen, spielen in einem Lauf ohne Gezeiten die TrÄgheitsschwingungen die entscheidende Rolle. Diese TrÄgheitsschwingungen sind von gleicher Grö\enordnung wie Gezeitenströmungen. Oberhalb der Sprungschicht werden beide Arten von Oszillationen bei Anwesenheit starker windbedingter Strömungen maskiert. Die signifikanten Differenzen im Geschwindigkeitsprofil erzeugen auch betrÄchtliche Unterschiede in der kinetischen Energie des Systems sowie der vertikalen Eddy-ViskositÄt. Letztere wird entscheidend von der vertikalen Stromscherung beeinflu\t.

Abschlie\end zeigt der Vergleich eines ein- und eines dreidimensionalen Modellaufes, da\ deren Ergebnisse merklich voneinander abweichen. Insbesondere die VariabilitÄt der kinetischen Energie weist betrÄchtliche Differenzen auf, die durch nur im eindimensionalen Modell auftretende Interferenzen zwischen der M_2-Gezeit und der TrÄgheitsschwingung bedingt werden. Dieses unterschiedliche Verhalten ist der Abwesenheit horizontaler ViskositÄt in eindimensionalen SÄulenmodellen zuzuschreiben, welche eine gegenüber dem dreidimensionalen Modell weitaus geringere horizontale DÄmpfung zur Folge hat.