An updated framework for inferring interior ocean circulation from high resolution marine satellite observations
Authors:   , Piracha Aqeel 
Published: June 2024

(English) It was not until 1982 that Gösta Walin proposed a formal framework to connect heat input from the sun to the large-scale thermal circulation of the ocean through quantifying a sur- face ”drift” of water from high to low temperatures. That seminal work laid the foundations of a new field of oceanography dedicated to inferring oceanic circulation patterns through dynamics at the air-sea interface and the surface-ocean state. Ocean circulation is initiated and controlled not only by temperature but also salinity; together acting to set the density or thermohaline circulation of the ocean. Furthermore, The action of winds on the ocean surface induce thermal changes in the sea surface state, and it is these changes in sea surface state that are captured by the framework.

Along those lines, later work has attempted to build a buoyancy-based framework to infer large-scale circulation resulting from surface buoyancy dynamics. To do this, a knowledge of both heat flux (HF) (composed of latent, sensible, shortwave and longwave components) and freshwater flux (FWF) (the difference between evaporation and precipitation) are needed. Bulk formulas are normally employed to quantify these fluxes; however, atmospheric parameters needed for their use are often dicult to retrieve. Therefore, a further update to the framework was made: rather than thermodynamically, this new framework is based on kinematics and was derived using the conservation equation for ocean physics.

Water masses are large volumes of water with common characteristic formation histories as well as tracer properties; such as temperature, salinity and density. The ocean can be subdivided into many water types; each with their own characteristic properties. These water types interact with each other and are inevitably subducted into the quasi-conservative regime of the interior-ocean. This connects the
aforementioned frameworks to climate dy- namics as these water masses are often crucial areas for sequestering and, therefore, slowing down the effect of anthropogenic greenhouse gas emissions on climate extremes.

This thesis represents the amalgamation of three works; firstly, the feasibility of satellites to provide thermodynamic water mass estimates is provided along with an analysis of the propagation of errors from satellite-retrievals of Sea Surface Temperature (SST) and Sea Surface Salinity (SSS) to uncertainties in estimates on the location of water mass subduc- tion/formation; the second paper is a modification of the kinematic framework in the presence of the Mixed Layer Depth (MLD) and in doing so connects surface and mixed layer (ML) kinematics and air-sea interactions to ventilation below the ML via water mass formation; the third work represents a preliminary draft of the application of the kinematic framework (from the second paper) to assess seasonality in Atlantic dense-water formation over 10 years.

We found that the kinematic approach applied to satellite datasets combined with in-situ derived estimates for Mixed Layer Depth (MLD) resulted in a greater resolution of mesoscale activity than the same satellite datasets used in the thermodynamic approach; with satellite derived HF and FWF. On the other hand, the assumption of a homogeneous ML had the consequence of neglecting the depth-penetrative
effect of shortwave solar radiation which could adversely impact quantitative estimates of watermass formation.

We show that within the kinematic framework, satellite sea surface data can reveal the interaction between air-sea fluxes, mesoscale dynamics and water mass formation on large- scale ocean circulation and thus, reveal crucial climate dynamics in a routine and relatively computationally efficient way.

(Català) No va ser fins al 1982 que Gösta Walin va proposar un marc formal per connectar l'entrada de calor del sol a la circulació tèrmica a gran escala de l'oceà mitjançant la quantificació d'una "deriva" superficial de l'aigua des de temperatures altes a baixes. Aquell treball seminal va establir els fonaments d'un nou camp d'oceanografia dedicat a inferir patrons de circulació oceànica a través de la dinàmica en la interfície aire-mar i l'estat superficial de l'oceà. La circulació
oceànica s'inicia i es controla no només per la temperatura, sinó també per la salinitat; actuen junts per establir la densitat o circulació termohalina de l'oceà. A més, l'acció dels vents sobre la superfície oceànica indueix canvis tèrmics en l'estat de la superfície del mar, i són aquests canvis en l'estat de la superfície del mar els que són capturats pel marc.

En aquesta línia, treballs posteriors han intentat construir un marc basat en la flotabilitat per inferir la circulació a gran escala resultant de la dinàmica de la flotabilitat superficial. Per fer això, es necessita un coneixement tant del flux de calor (HF) (compost per components llatents, sensibles, de ones curtes i d’ones llargues) com del flux d'aigua dolça (FWF) (la diferència entre evaporació i precipitació). Normalment s'empren fórmules globals per quantificar aquests fluxes; no obstant això, sovint és difícil recuperar els paràmetres atmosfèrics necessaris per al seu ús. Per tant, es va fer una altra actualització al marc: en lloc de ser termodinàmic, aquest nou marc es basa en la cinemàtica i es va derivar utilitzant l'equació de conservació per a la física de l'oceà.

Les masses d'aigua són grans volums d'aigua amb històries de formació i propietats traçadores comunes, com ara temperatura, salinitat i densitat. L'oceà es pot dividir en molts tipus d'aigua; cadascun amb les seves pròpies propietats característiques. Aquests tipus d'aigua interactuen entre ells i són inevitablement subduïts al règim quasi-conservador de l'oceà interior. Això connecta els marcs esmentats anteriorment amb la dinàmica climàtica, ja que aquestes masses d'aigua són sovint àrees crucials per al confinament i, per tant, la desacceleració de l'efecte de les emissions antropogèniques de gasos d'efecte hivernacle en els extrems climàtics.

Aquesta tesi representa la fusió de tres treballs; en primer lloc, es proporciona la viabilitat dels satèl·lits per proporcionar estimacions termodinàmiques de masses d'aigua, juntament amb un anàlisi de la propagació d'errors a partir de recuperacions satel·litals de la Temperatura de la Superfície del Mar (SST) i la Salinitat de la Superfície del Mar (SSS) a incerteses en les estimacions de la ubicació de subducció/formació de masses d'aigua; el segon article és una modificació del marc cinemàtic en presència de la Profunditat de la Capa de Barreja (MLD) i, en fer-ho, connecta la cinemàtica superficial i de capa de barreja (ML) i les interaccions aire-mar amb la ventilació per sota de la ML mitjançant la formació de masses d'aigua; el tercer treball representa un esborrany preliminar de l'aplicació del marc cinemàtic (del segon article) per avaluar la estacionalitat en la formació d'aigua densa a l'Atlàntic durant 10 anys.

A la tesi mostrem que l'enfocament cinemàtic aplicat als conjunts de dades satel·litals combinats amb estimacions derivades in situ per a la MLD resulta en una major resolució de l'activitat mesoescalar que els mateixos conjunts de dades satel·litals utilitzats en l'enfocament termodinàmic; amb HF i FWF derivats satel·litalment. D'altra banda, la suposició d'una capa de barreja homogènia té la conseqüència de negligir l'efecte penetrant en profunditat de la radiació solar d'ones curtes, cosa que pot tenir un impacte negatiu en les estimacions quantitatives de la formació de masses d'aigua.

(Español) No fue hasta 1982 que Gösta Walin propuso un marco formal para conectar aporte de calor del sol a la circulación térmica.
No fue hasta 1982 que se estableció un marco formal conectando la entrada de calor del sol a la circulación térmica a gran escala del océano, cuantificando un "desplazamiento" superficial del agua de temperaturas altas a bajas. Ese trabajo seminal sentó las bases de un nuevo campo de oceanografía dedicado a inferir patrones de circulación oceánica a través de la dinámica en la interfaz aire-mar y el estado del océano superficial. A pesar de este trabajo, la circulación oceánica es iniciada y controlada no solo por la temperatura, sino también por la salinidad, actuando juntas para establecer la circulación densa o termohalina del océano.

A lo largo de estas líneas, trabajos futuros han intentado construir un marco basado en la flotabilidad para inferir la circulación a gran escala resultante de la dinámica de flotabilidad superficial. Para hacer esto, se necesitan conocimientos tanto del flujo de calor (HF), compuesto por componentes latentes, sensibles, de onda corta y de onda larga, como del flujo de agua dulce (FWF), la diferencia entre la evaporación y la precipitación. La cuantificación de estos flujos se hace mediante fórmulas, sin embargo, los parámetros atmosféricos necesarios para el uso de estas fórmulas, a menudo son difíciles y complicados de obtener. Por lo tanto, se realizó una actualización adicional del marco teórico, y en lugar de ser termodinámico, este nuevo marco se basó en cinemática y se derivó utilizando la ecuación de conservación para la física del océano.
Las masas de agua son grandes volúmenes de agua con historias de formación características, así como propiedades distintivas trazadoras, como temperatura, salinidad y densidad. El océano se puede subdividir en muchos tipos de agua, cada uno con sus propiedades características. Estos tipos de agua interactúan entre sí y son inevitablemente subducidos al régimen cuasi-conservativo del océano interior. Esto está conectado con la dinámica climática, ya que estas masas de agua son a menudo áreas cruciales para la captura y, por lo tanto, la ralentización del efecto de las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero.

Esta tesis representa la amalgama de tres trabajos: primero, se proporciona la viabilidad de los satélites para proporcionar estimaciones termodinámicas de masas de agua, junto con un análisis de la propagación de errores de las recuperaciones satelitales de temperatura de la superficie del mar (SST) y salinidad de la superficie del mar (SSS) a incertidumbres en las estimaciones de la ubicación de subducción/formación de masas de agua; el segundo artículo es una modificación del marco cinemático en presencia de la Profundidad de la Capa Mezclada (MLD) y al hacerlo conecta la dinámica de la capa de mezcla (ML) y las interacciones aire-mar a la ventilación por debajo de la ML a través de la formación de masas de agua.

Encontramos que el enfoque cinemático aplicado a conjuntos de datos satelitales combinados con estimaciones derivadas in situ para la MLD resultó en una mayor resolución de la actividad de mesoescala que los mismos conjuntos de datos satelitales utilizados en el enfoque termodinámico; con HF y FWF derivados de satélites. Por otro lado, suponer que la ML es homogénea tuvo la consecuencia de ignorar el efecto de penetración en profundidad de la radiación solar de onda corta, lo que podría afectar adversamente las estimaciones cuantitativas de la formación de masas de agua.

Mostramos que dentro del marco cinemático, los datos satelitales de la superficie del mar pueden revelar la interacción entre flujos aire-mar, dinámica mesoescalar y formación de masas de agua en la circulación oceánica a gran escala y, por lo tanto, revelar dinámicas climáticas cruciales de manera rutinaria y relativamente eficiente computacionalmente.