Submesoscale processes in the Baltic Sea

Abstract

Recent advances in high-resolution numerical modeling of the ocean have revealed a new class of turbulent motion, the so-called submesoscales. Submesoscales are intermediate -scale ephemeral flow structures in the form of vortices, fronts, and filaments with horizontal scales of 0.1-10 km and lifetimes of hours to days, emerging typically in the vicinity of larger scale density fronts. These motions, abundant in the oceanic surface mixed layer, have drawn the attention due to their role on the downscale cascade of geostrophic energy but also due to their ability to change the upper ocean stratification and induce high vertical velocities, both being instrumental for marine biogeochemistry. Submesoscales can restratify, i.e., bring warm water above cold water and reduce the depth of the mixed layer. Those motions have been studied mainly in the context of open ocean simulations and idealized configurations; however, their response during excessive cooling and strong winds, is still unclear. Here, the easily accessible central basin of the Baltic Sea is used as a natural laboratory to study the effect of submesoscale features on the restratification process and near-surface turbulence during the passage of multiple storm events. A realistic high-resolution numerical simulation is used, focusing on the Eastern Gotland Basin, a possible hotspot of submesoscale genesis, with persistent horizontal gradients, as evidenced by field observations. The simulations revealed the existence of a strong thermal frontal structure that covers the entire basin and despite its persistence throughout the autumn period, it has not been reported previously. Cold elongated submesoscale filaments and fronts with sharp horizontal buoyancy gradients, strong surface convergence, and intense vertical velocities arise from this energetic frontal pattern. The surface signature of those features appears also in mixed layer depth, which presents shallow and highly heterogeneous spatial patterns with significant temporal variability. As one of the main results, submesoscales were found not only to induce vigorous and rapid re-stratification after each wind event but also to maintain shallow mixed layers during storms. Submesoscale restratification compensates for the destratification effect caused by atmospheric buoyancy loss and wind-induced mixing, resulting in stably stratified patches.

Οι πρόσφατες εξελίξεις στην αριθμητική μοντελοποίηση του ωκεανού υψηλής ανάλυσης αποκάλυψαν μια νέα κατηγορία τυρβώδους κίνησης, τις λεγόμενες υπο-μέσης κλίμακας ροές. Πρόκειται για τυρβώδης δομές που εκδηλώνονται με τη μορφή στροβίλων, μετώπων και νηματίων, με οριζόντιες κλίμακες από 0,1 εώς 10 χμ. και διάρκεια ζωής από μερικές ώρες έως μερικές ημέρες. Λόγω του ενδιάμεσου μεγέθους τους και της εφήμερης φύσης τους, δεν δύναται να συμπεριληφθούν ούτε στα γνωστά μέσης κλίμακας φαινόμενα που κυρχιαρχούν στους ωκεανούς, ούτε στην μικρής-κλίμακας τύρβη. Αυτές οι υπο-μέσης κλίμακας δομές, που εμφανίζονται κυρίως στο επιφανειακό στρώμα ανάμιξης των ωκεανών, είναι ιδιαίτερα σημαντικές για τη ροή ενέργειας από τις μεγάλες κλίμακες προς τις μικρότερες. Είναι επίσης σημαντικές για την άνθιση του φυτοπλαγκτού καθώς συνοδεύονται από υψηλές κατακόρυφες κινήσεις οι οποίες συνεισφέρουν στην μεταφορά των θρεπτικών στοιχείων από τα βαθύτερα ωκεάνια στρώματα προς την θαλάσσια επιφάνεια. Αυτές οι τυρβώδης δομές μπορούν να εμφανιστούν κοντά σε θαλάσσια μέτωπα μέσης κλίμακας και συμβάλουν στην επαναφορά της κατακόρυφης στρωμάτωσης του επιφανειακού ωκεάνιου στρώματος ακόμη και όταν επικρατεί χειμερινή αστάθεια. Στην παρούσα μελέτη η ανάλυση των δυναμικών τους χαρακτηριστικών και των επιπτώσεών τους γίνεται με τη χρήση αριθμητικού μοντέλου καθώς και μέσω ωκεανογραφικών δεδομένων που συλλέχθηκαν στη Βαλτική θάλασσα.