Thesis (Ph. D.)--Joint Program in Physical Oceanography (Massachusetts Institute of Technology, Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences; and the Woods Hole Oceanographic Institution), February 2013. / "February 2013." Cataloged from PDF version of thesis. / Includes bibliographical references (p. 175-184). / Efforts to monitor the ocean for signs of climate change are hampered by ever-present noise, in the form of stochastic ocean variability, and detailed knowledge of the character of this noise is necessary for estimating the significance of apparent trends. Typically, uncertainty estimates are made by a variety of ad hoc methods, often based on numerical model results or the variability of the data set being analyzed. We provide a systematic approach based on the four-dimensional frequency-wavenumber spectrum of low-frequency ocean variability. This thesis presents an empirical model of the spectrum of ocean variability for periods between about 20 days and 15 years and wavelengths of about 200-10,000 km, and describes applications to ocean circulation trend detection, observing system design, and satellite data processing. The horizontal wavenumber-frequency part of the model spectrum is based on satellite altimetry, current meter data, moored temperature records, and shipboard ADCP data. The spectrum is dominated by motions along a "nondispersive line". The observations considered are consistent with a universal [omega] -² power law at the high end of the frequency range, but inconsistent with a universal wavenumber power law. The model spectrum is globally varying and accounts for changes in dominant phase speed, period, and wavelength with location. The vertical structure of the model spectrum is based on numerical model results, current meter data, and theoretical considerations. We find that the vertical structure of kinetic energy is surface intensified relative to the simplest theoretical predictions. We present a theory for the interaction of linear Rossby waves with rough topography; rough topography can explain both the observed phase speeds and vertical structure of variability. The improved description of low-frequency ocean variability presented here will serve as a useful tool for future oceanographic studies. / by Cimarron James Lemuel Wortham, IV. / Ph.D.

A Confluência Brasil-Malvinas (CBM) é formada pelo encontro da Corrente do Brasil (CB) com a Corrente das Malvinas (CM) no Atlântico Sul. Esta é uma das áreas mais energéticas do oceano global e é demarcada por um intenso gradiente meridional de temperatura. Imagens de satélites e observações in situ mostram a presença de meandros e vórtices, tanto ciclônicos como anticiclônicos, na região da CBM. Com o conhecimento de campos de anomalia da altura da superfície do mar (AASM) e campos de temperatura da superfície do mar (TSM) para a região da Frente Brasil-Malvinas (FBM) é possível se estimar a variação da energia associada às ondas de Rossby anuais e bianuais existentes em seu entorno e detectar a posição da frente termal existente nesta região. Nesse contexto, foi realizado o estudo do deslocamento meridional da FBM numa escala de tempo interanual, da variação do espectro de ondas de Rossby na CBM e da variabilidade associada ao campo médio de velocidades geostróficas absolutas. A comparação do espectro de ondas de Rossby na CBM para o período de 2001-2008 apresentou aumento da energia associada aos períodos anual e bianual em relação aos valores obtidos da análise do período de 1993-2000. Essa alteração do espectro não teve relação com a alteração média da frente termal detectada porém, houve aumento significativo da variabilidade meridional da posição da frente média, possivelmente devido a um aumento do fluxo da CB. Maior variabilidade também foi observada nos mapas de velocidade geostrófica para o mesmo período de 2001-2008. Estes mapas exibiram ainda um possível posicionamento mais austral da CB, corroborando o aumento da variabilidade oriundo da maior instabilidade gerada por ondas planetárias na região da CBM. / The Brazil-Malvinas Confluence (BMC) is formed by the encounter of the Brazil Current (BC) with the Malvinas Current (MC) at the South Atlantic ocean. This is one of the most energetic regions of the world oceans and it is characterized by intense meridional sea surface temperature gradients. Satellite data and in situ observations often reveal the presence of cyclonic and anticyclonic meanders and vortices at the BMC region. The sea surface height anomaly (SSHA) and the sea surface temperature (SST) fields of the Brazil-Malvinas Frontal (BMF) region can be used to determine the energy variations associated with the annual and bi-annual Rossby waves that occur at its surroundings and to detect the position of the thermal front. Our study involved the determination of the BMF meridional displacement on an interannual scale, the spectral variations of the Rossby wave field at the BMC region, and the variability associated to the mean absolute geostrophic velocities. The Rossby wave spectra at the BMC for 2001-2008 show an increase of the energy associated with both the annual and bi--annual periods relative to the 1993-2000 interval. These spectral changes are not directly related to the mean changes in the thermal front region, however we detected a significant meridional variability of the mean position of the front most probably due to an increase in the BC flux. Large variations were also observed in the geostrophic velocity field for the 2001-2008 period. These maps exhibited a farther south location of the BC. This corroborates the variability increase due to a greater instability introduced by the planetary waves at the BMC region.

Este trabalho avalia a importância relativa dosmodos dinâmicos na composição da estrutura vertical do fluxo geostrófico e de suas anomalias em relação à média, com o objetivo de fornecer uma descrição das formas de estratificação predominantes na coluna de água e de identificar prováveis regiões de ocorrência de ondas de Rossby planetárias (OR) dos diversos modos dinâmicos. Raios de deformação internos são estimados para avaliar a possibilidade de interações não-lineares entre OR e as alterações da estratificação local forçadas por sua própria passagem. A análise proposta baseia-se em dados de densidade estimados a partir de perfis verticais de salinidade climatológicos aliados a perfis sintéticos de temperatura. Estes últimos são extrapolados verticalmente a partir de dados orbitais da temperatura da superfície do mar (TSM) e da anomalia da altura da superfície livre (h), segundo um método de reconstrução estatística desenvolvido para este estudo. O primeiro modo baroclínico é dominante tanto no fluxo total quanto em suas anomalias, respondendo em média por 30% da estrutura vertical de velocidade, sendo que este valor descresce aproximadamente por uma razão de três em modos superiores. O segundo modo é significativo ou mesmo dominante em algumas regiões, particularmente em latitudes próximas ao equador. O terceiro é evidente em algumas áreas localizadas, mas não assume papéis importantes em escala de bacia. O modo 0 responde por frações de 6 a 9%, mas é provável que estes resultados sejam subestimados pela metodologia aplicada. Anomalias verticais relacionadas ao primeiro modo coincidem com regiões onde OR longas do primeiro modo tem maior expressão, enquanto o segundo modo parece ser um marcador de OR curtas e ondas de instabilidade tropical. Fenômenos transientes associados ao terceiro modo são observados em áreas restritas dos três oceanos. A magnitude das variações dos raios internos em resposta à fenômenos transientes em algumas regiões implicam em variações significativas na velocidade de fase teórica de OR longas lineares, um indício de que efeitos não-lineares podem ser importantes. Por fim, amplificações da importância do modo barotrópico sobre feições topográficas significativas sugere a existência de mecanismos de transferência de energia entre modos dinâmicos induzidas pela interação com a batimetria. / This study evaluates the relative importance of the dynamical modes in the composition of the geostrophic flow and of its anomalies from the long-term average, respectively seeking to determine the dominant vertical stratification structures of the water column and to identify regions where planetary Rossby waves (RW) of different dynamical modes may most likely occur. The baroclinic Rossby radii of deformation are estimated to evaluate the possibility of nonlinear interactions between RWand changes of the local stratification forced by the wave\'s passing. This analysis is based on density data estimated from climatological salinity profiles and synthetic temperature profiles. The latter are vertically extrapolated for sea surface temperature (SST) and sea surface height anomaly (h) satellite data, using a statistical reconstruction method developed in this study. The first baroclinic mode dominates both the total geostrophic flow and its anomalies, accounting for 30% of the velocity\'s vertical structure on average, where this value decreases approximately by a factor of 3 in subsequent baroclinic orders. The second mode is significant or even dominant in some areas, particularly near the equator. The third mode is evident in some localized regions, but can be ignored at basin-scales. The barotropic mode accounts for 6 to 9% fractions on average, however these values are probably underestimated by the used methods. Vertical anomalies related to the first baroclinic mode coincide with regions where long RWs answers for a significant fraction of local variance, while the second mode highlights zones where short RWs and tropical instability waves are reported. Transient phenomena related with the third mode are observed in comparatively small areas on all three oceans. The magnitude of the baroclinic radii\'s variations in response of the transient variability results in significant changes of the theorethical phase speed for long linear RWs, an evidence that nonlinear effects may be important. Lastly, the greater significance of the barotropic mode over proeminent bottom features suggests the existence of energy transfer mechanisms between dynamical modes triggered by the interaction with the bathymetry.

Este trabalho avalia a importância relativa dosmodos dinâmicos na composição da estrutura vertical do fluxo geostrófico e de suas anomalias em relação à média, com o objetivo de fornecer uma descrição das formas de estratificação predominantes na coluna de água e de identificar prováveis regiões de ocorrência de ondas de Rossby planetárias (OR) dos diversos modos dinâmicos. Raios de deformação internos são estimados para avaliar a possibilidade de interações não-lineares entre OR e as alterações da estratificação local forçadas por sua própria passagem. A análise proposta baseia-se em dados de densidade estimados a partir de perfis verticais de salinidade climatológicos aliados a perfis sintéticos de temperatura. Estes últimos são extrapolados verticalmente a partir de dados orbitais da temperatura da superfície do mar (TSM) e da anomalia da altura da superfície livre (h), segundo um método de reconstrução estatística desenvolvido para este estudo. O primeiro modo baroclínico é dominante tanto no fluxo total quanto em suas anomalias, respondendo em média por 30% da estrutura vertical de velocidade, sendo que este valor descresce aproximadamente por uma razão de três em modos superiores. O segundo modo é significativo ou mesmo dominante em algumas regiões, particularmente em latitudes próximas ao equador. O terceiro é evidente em algumas áreas localizadas, mas não assume papéis importantes em escala de bacia. O modo 0 responde por frações de 6 a 9%, mas é provável que estes resultados sejam subestimados pela metodologia aplicada. Anomalias verticais relacionadas ao primeiro modo coincidem com regiões onde OR longas do primeiro modo tem maior expressão, enquanto o segundo modo parece ser um marcador de OR curtas e ondas de instabilidade tropical. Fenômenos transientes associados ao terceiro modo são observados em áreas restritas dos três oceanos. A magnitude das variações dos raios internos em resposta à fenômenos transientes em algumas regiões implicam em variações significativas na velocidade de fase teórica de OR longas lineares, um indício de que efeitos não-lineares podem ser importantes. Por fim, amplificações da importância do modo barotrópico sobre feições topográficas significativas sugere a existência de mecanismos de transferência de energia entre modos dinâmicos induzidas pela interação com a batimetria. / This study evaluates the relative importance of the dynamical modes in the composition of the geostrophic flow and of its anomalies from the long-term average, respectively seeking to determine the dominant vertical stratification structures of the water column and to identify regions where planetary Rossby waves (RW) of different dynamical modes may most likely occur. The baroclinic Rossby radii of deformation are estimated to evaluate the possibility of nonlinear interactions between RWand changes of the local stratification forced by the wave\'s passing. This analysis is based on density data estimated from climatological salinity profiles and synthetic temperature profiles. The latter are vertically extrapolated for sea surface temperature (SST) and sea surface height anomaly (h) satellite data, using a statistical reconstruction method developed in this study. The first baroclinic mode dominates both the total geostrophic flow and its anomalies, accounting for 30% of the velocity\'s vertical structure on average, where this value decreases approximately by a factor of 3 in subsequent baroclinic orders. The second mode is significant or even dominant in some areas, particularly near the equator. The third mode is evident in some localized regions, but can be ignored at basin-scales. The barotropic mode accounts for 6 to 9% fractions on average, however these values are probably underestimated by the used methods. Vertical anomalies related to the first baroclinic mode coincide with regions where long RWs answers for a significant fraction of local variance, while the second mode highlights zones where short RWs and tropical instability waves are reported. Transient phenomena related with the third mode are observed in comparatively small areas on all three oceans. The magnitude of the baroclinic radii\'s variations in response of the transient variability results in significant changes of the theorethical phase speed for long linear RWs, an evidence that nonlinear effects may be important. Lastly, the greater significance of the barotropic mode over proeminent bottom features suggests the existence of energy transfer mechanisms between dynamical modes triggered by the interaction with the bathymetry.

A Confluência Brasil-Malvinas (CBM) é formada pelo encontro da Corrente do Brasil (CB) com a Corrente das Malvinas (CM) no Atlântico Sul. Esta é uma das áreas mais energéticas do oceano global e é demarcada por um intenso gradiente meridional de temperatura. Imagens de satélites e observações in situ mostram a presença de meandros e vórtices, tanto ciclônicos como anticiclônicos, na região da CBM. Com o conhecimento de campos de anomalia da altura da superfície do mar (AASM) e campos de temperatura da superfície do mar (TSM) para a região da Frente Brasil-Malvinas (FBM) é possível se estimar a variação da energia associada às ondas de Rossby anuais e bianuais existentes em seu entorno e detectar a posição da frente termal existente nesta região. Nesse contexto, foi realizado o estudo do deslocamento meridional da FBM numa escala de tempo interanual, da variação do espectro de ondas de Rossby na CBM e da variabilidade associada ao campo médio de velocidades geostróficas absolutas. A comparação do espectro de ondas de Rossby na CBM para o período de 2001-2008 apresentou aumento da energia associada aos períodos anual e bianual em relação aos valores obtidos da análise do período de 1993-2000. Essa alteração do espectro não teve relação com a alteração média da frente termal detectada porém, houve aumento significativo da variabilidade meridional da posição da frente média, possivelmente devido a um aumento do fluxo da CB. Maior variabilidade também foi observada nos mapas de velocidade geostrófica para o mesmo período de 2001-2008. Estes mapas exibiram ainda um possível posicionamento mais austral da CB, corroborando o aumento da variabilidade oriundo da maior instabilidade gerada por ondas planetárias na região da CBM. / The Brazil-Malvinas Confluence (BMC) is formed by the encounter of the Brazil Current (BC) with the Malvinas Current (MC) at the South Atlantic ocean. This is one of the most energetic regions of the world oceans and it is characterized by intense meridional sea surface temperature gradients. Satellite data and in situ observations often reveal the presence of cyclonic and anticyclonic meanders and vortices at the BMC region. The sea surface height anomaly (SSHA) and the sea surface temperature (SST) fields of the Brazil-Malvinas Frontal (BMF) region can be used to determine the energy variations associated with the annual and bi-annual Rossby waves that occur at its surroundings and to detect the position of the thermal front. Our study involved the determination of the BMF meridional displacement on an interannual scale, the spectral variations of the Rossby wave field at the BMC region, and the variability associated to the mean absolute geostrophic velocities. The Rossby wave spectra at the BMC for 2001-2008 show an increase of the energy associated with both the annual and bi--annual periods relative to the 1993-2000 interval. These spectral changes are not directly related to the mean changes in the thermal front region, however we detected a significant meridional variability of the mean position of the front most probably due to an increase in the BC flux. Large variations were also observed in the geostrophic velocity field for the 2001-2008 period. These maps exhibited a farther south location of the BC. This corroborates the variability increase due to a greater instability introduced by the planetary waves at the BMC region.

Dynamic Systems Theory (DST) and spectral analysis are employed to study the tropospheric jet stream and the stratospheric polar vortex. The objective is to investigate the relationship between Rossby wave activity and inverse persistence and dimensionality of geopotential height at 250 hPa and 10 hPa, as these two dynamical indicators are expected to show a characteristic behavior of Rossby wave harmonics. The results show that persistent states exhibit suppressed Rossby wave activity for eastward-propagating Rossby waves, whereas it is increased for the westward counterpart. Positive anomalies of spectral power at positive phase speeds are present for less persistent states. Events with low dimensionality relate to the suppression of most Rossby waves, while an increase in spectral power is present during high dimensional states. The results were more pronounced in the stratosphere compared to the troposphere with different spatial patterns of geopotential height anomalies due to additional factors influencing the location of Rossby waves. Furthermore, Sudden Stratospheric Warmings (SSWs) are connected to a decrease in persistence up to 2 weeks prior, followed by a significant increase in persistence and dimensionality, and reduced integrated spectral power. Strong Polar Vortex events (SPVs) exhibit the opposite behavior with an increase in persistence before and a decrease in persistence and dimensionality, and higher ISP afterward. Additionally, SSWs (SPVs) exhibit a suppression (enhancement) of Rossby wave activity in the stratosphere and to a lesser extent in the troposphere for eastwards traveling waves.

Le but de cette thèse est d'analyser plusieurs phénomènes de bord ouest de la Mer d'Arabie : (i) le cycle de vie d'un tourbillon de mésoéchelle persistant, le Great Whirl; (ii) la dynamique d'un écoulement d'eau dense (outflow) formée dans une mer adjacente, l'outflow du Golfe Persique; et (iii) une remontée d'eau profonde (upwelling) saisonnière dans la zone côtière d'Oman. Le point commun entre ces phénomènes est leur localisation sur un bord ouest océanique. Ils sont donc influencés par des forçages locaux (notamment les vents de mousson) et les forçages à distance (ondes de Rossby et tourbillons dérivant vers l'ouest). En particulier, ces derniers vont jouer un rôle particulier car la Mer d'Arabie est située à basses latitudes, ce qui implique une propagation rapide des ondes longues et tourbillons. De plus, des ondes sont continuellement excitées par le régime saisonnier des moussons. Nous avons mis au point des expériences numériques de différentes complexités en utilisant un modèle aux équations primitives. Ces expériences permettent soit de simuler de manière réaliste la dynamique complexe de la Mer d'Arabie, soit d'isoler un processus en particulier. Les résultats principaux peuvent se résumer comme suit : (i) le cycle de vie du Great Whirl est significativement impacté par les ondes de Rossby annuelles. Le rotationnel de la tension de vent joue un rôle important dans le maintien, le renforcement et la barotropisation du tourbillon. (ii) La dispersion de l'Eau du Golfe Persique (Persian Gulf Water, PGW) est déterminée par le mélange induit par les tourbillons de mésoéchelle. Précisément, ces tourbillons entrent dans le Golfe d'Oman (où se déverse la PGW), et interagissent avec la topographie. Ces interactions frictionnelles produisent des bandes de vorticité très intenses dans la couche limite de fond. Celles-ci sont arrachées et forment des tourbillons de sous-mésoéchelle. Ces tourbillons capturent de la PGW initialement située sur la pente continentale et la redistribuent dans le golfe d'Oman. Ce mécanisme donne finalement lieu à du mélange, permettant d'expliquer le gradient de salinité climatologique observé en profondeur. (iii) La dynamique de l'upwelling saisonnier au large d'Oman contraste fortement avec la dynamique des upwelling de bord est (Eastern Boundary Upwelling Systems, EBUS). En effet, les ondes de Rossby se propagent vers le large dans les EBUS et vers la côte dans l'upwelling de bord ouest d'Oman. Ces ondes modulent la réponse en température de l'upwelling forcé par le vent.Dans l'ensemble, ces résultats sont relativement spécifiques à la Mer d'Arabie. La faible extension zonale et la basse latitude de la Mer d'Arabie, ainsi que le régime de mousson des vents saisonniers en font une région particulière. La propagation rapide des ondes et tourbillons et leurs interactions avec le bord ouest façonnent les régimes de turbulence de la Mer d'Arabie. / This PhD aims to investigate some western boundary processes in the Arabian Sea : (i) the life cycle of the socalled Great Whirl, a persistent mesoscale eddy; (ii) the dynamics of the Persian Gulf outflow, a marginal sea dense outflow; and (iii) the seasonal Oman upwelling, a coastal upwelling forced by summermonsoonal winds. The cornerstone of all these phenomena is their locationat a western boundary, which makes then being influenced by both localforcing (e.g., monsoonal winds) and remote forcing (Rossby waves and wesward drifting eddies). Specifically, the later are expected to impact the western boundary dynamics since the low latitude of the Arabian Sea implies a fast westward propagation of long Rossby waves and eddies. Moreover, waves are continously excited by the reversing monsoonal winds. Based on a primitive equation model, we designed numerical experiments of different complexity that allowed to either realistically simulate the dynamics in the Arabian Sea or to isolate some processes.Major findings can be summarized as follows : (i) The Great Whirl life cycle is found to be significantly paced by annual Rossby waves, although the strong monsoonal wind stress curl is of major importance to sustain the structure. (ii) The Persian Gulf Water (PGW) spreading in the Gulf of Oman and the northern Arabian Sea can be explained by the stirring done by eddies entering the Gulf. These remotely formed surface intensifed mesoscale eddies propagate into the Gulf and interact with the topography. Frictional interactions produce intense vorticity strips at the boundary that detach and roll up in the interior, forming submesoscale coherent vortices (SCV). These SCV trap PGW initially located on the slope and redistribute it in the interior. This mechanism of transport ultimately produces mixing that explains the large-scale gradient of salinity in the gulf. (iii) We find that the dynamics of the seasonal upwelling of Oman contrasts with the more deeply studied Eastern Boundary Upwelling Systems (EBUS). In particular, Rossby waves, propagating offshore in EBUS vs. onshore in this western boudary upwelling, are found to modulate the wind driven upwelling and its sea surface temperature response.Overall, these results appear to be rather specific to the Arabian Sea. The short zonal extent and the low-latitude of the Arabian Sea, as well as the seasonally reversing wind forcing are the distinguishing features of this region. Fast waves and drifting eddies and their interactions with the western boundary significantly shape the turbulent regimes of the western Arabian Sea.