Eddy diffusivities from a doubly-periodic quasi-geostrophic model of the Antarctic circumpolar current

• Main Author: Murray, Claire
• Other Authors: David N Straub (Internal/Supervisor), Susan J Gaskin (Internal/Cosupervisor2)
• Format: Thesis
• Language: English
• Published: McGill University 2014
• Subjects: Earth Sciences - Physical Oceanography; Antarctic; The Antarctic; Antarc*; Antarctique*
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=121512

The Antarctic Circumpolar Current (ACC), long recognized for its importance in world ocean and climate dynamics, is close to purely zonal in many regions. This means the majority of meridional transport of heat or other scalars is largely achieved by transient mesoscale eddies. Many long-running climate models are still unable to resolve the mesoscale; their effects are parameterized, most commonly using the GM90 parameterization which relates mass transport to the slopes of isopycnal layers via an eddy diffusivity. In this project, the ACC was modelled using a two-layer quasi-geostrophic model with idealistic topography. A series of simulations were carried out with a combination of topography heights and forcing strengths. Time-mean statistics were used to fit several forms of the eddy diffusivity. A paradox was found in the cross-jet diffusivity. In a global sense, it increased as the strength of forcing and jet velocities increased, consistent with higher eddy kinetic energy. On the other hand, a local definition was found to be a local minimum in the jet core where the velocity peaked, consistent with research suggesting the ACC cores suppress mixing. In addition, a skew diffusivity was fitted and found to be globally non-zero for the higher topography, corresponding to a net eastwards flux. For the ridge simulations, large-scale variation in the cross and skew eddy diffusivity was noted and attributed to the effect of local bottom topography on baroclinic instability. This motivated a matrix definition of the eddy diffusivity, which included the bottom topography gradient as an additional parameter to estimate along and cross jet mass fluxes. In all forms the cross-jet diffusivity showed a large dependence on the density gradient. Le rôle du Courant Circumpolaire Antarctique (CCA) dans la dynamique mondiale des océans est reconnu depuis longtemps. L'écoulement du CCA est presque de purement zonal dans de nombreuses régions, ce qui signifie que la majorité du transport traversant les jets est effectuée par les remous méso-échelles. La plupart des modèles climatiques de longue durée sont encore incapables de résoudre la méso-échelle et les effets de ces remous doivent être paramétrés. Actuellement, le modèle GM90, qui estime le transport de masse à partir des pistes isopycnales en utilisant une diffusivité turbulente est le plus fréquemment employé. Dans ce projet, le CCA a été représenté par un modèle quasi-géostrophique de deux couches avec de la topographie idéaliste. Une série de simulations a été réalisée en changeant la hauteur de la topographie et le niveau du forçage. Dans le but d'évaluer plusieurs formes de la diffusivité turbulente, une analyse des statistiques temporelles a été réalisée. Dans un sens global, la diffusivité turbulente normale dans la direction méridienne, s'est augmentée avec le gradient de densité. Une définition locale, cependant, était un minimum dans le noyau de jet, en accord avec des recherches qui suggèrent la suppression du transport traversant le CCA. Une diffusivité turbulente dans la direction du débit moyen, a été également estimée, montrant un flux net vers l'est pour les topographies et les forçages supérieurs. Des répartitions spatiales ont été notées dans les champs des diffusivités turbulentes dans la direction normale et parallèle à l'écoulement moyen. Celles ont motivé une matrice de diffusion turbulente afin d'essayer de prendre en compte l'effet de la topographie sur les flux de masse. Cette forme a été appliquée globalement et localement, et a permis de réduire la variation spatiale observée.