Anhaltende Profilierung des Agulhas-Stroms

(Quelle: J. Vorneveld in Morris et al. (SAEON) 2017)

Abb. 1 - Teledyne RDI ADCPs sitzen in Top Bojen von ASCA Mooring Array. (Kredit: SAEON Egagasini Node. Http://asca.dirisa.org/)

Abb. 2 - Standort des LOCO-Anlegeplatzes in Mosambik Kanal. (Kredit: H. Ridderinkhof (NIOZ) 2006. https://goo.gl/FrCL2b)

Abb. 3 - Eine spätere Einstellung von LOCO-Liegeplätzen in Mosambik Kanal. ADCP-Profile sind angegeben. Skalen: Tiefe (m), Entfernung (km). (Adaptiert von H. Ridderinkhof et al. (NIOZ) 2010. https://doi.org/10.1029/2009JC005619)

Das Groß-Agulhas-Current-System wurde in den letzten zwei Jahrzehnten mit umfangreichen und hartnäckigen Festmacher-Arrays untersucht. Ein kritisches Element war die Erfassung des von starken Strömungen im oberen Ozean transportierten Volumens. Aus diesem Grund wurden viele der Festmacherleinen mit den oben genannten Teledyne RDI ADCPs gekrönt. (Kredit: J. Ullgren (NIOZ) 2010. https://goo.gl/SJ4dWJ)

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Zwei Jahrzehnte fest verankerte ADCPs vor dem südlichen Afrika

In den letzten zwei Jahrzehnten haben die energetischen und tiefen Strömungen vor dem südlichen Afrika eine ständige Überprüfung erfahren. Das Agulhas-Current-System, das am westlichen Rand des südlichen Indischen Ozeans gefunden wird, weist komplexe Zirkulationsmuster auf - Retroflexion, Mäanderbildung und Ringe. Sie zeigen eine große Variabilität von Jahr zu Jahr. Darüber hinaus vermitteln diese Flüsse den Austausch zwischen drei der wichtigsten Weltmeere: Indien, Atlantik und Süd.

Noch wichtiger ist, dass der Greater Agulhas Current nun den Verdacht hat, das globale Klimasystem zu beeinflussen. Seine Rolle besteht darin, Wasser zu konditionieren, das später in den herabfallenden Teil des globalen Umwälzkreislaufs eintritt.

Die Messung dieser Ströme war eine Herausforderung. Um ihren Umfang zu erfassen, müssen Messungen tief reichen. Um Veränderungen im Laufe der Zeit zu beheben, müssen Messungen aufrechterhalten werden. Und um zu überleben, müssen langlebige Messmethoden die Energie dieser starken Ströme aushalten. Zum Beispiel werden Oberflächen-Drifter, Schwimmer und Gleiter schnell weggefegt.

Programme, die Langzeitmessungen großer Meeresströmungen durchführen, sind auf elastische Verankerungen angewiesen. Und zur Messung starker Strömungen im oberen Ozean tragen diese Liegeplätze ADCPs.

In diesem Bericht werden mehrere aufeinander folgende Kampagnen über zwei Jahrzehnte hinweg beschrieben, in denen Teledyne RDI ADCPs zur Messung des Agulhas-Stroms verwendet wurden. Um dieses unglaublich dynamische System zu erfassen, wurden in jeder Kampagne ADCPs auf Festmacherleinen und auf dem Meeresboden als Teil umfangreicher Beobachtungsfelder festgelegt.

Ein Jahrzehnt lang konzentrierten sich niederländische Wissenschaftler auf die Stärke, Variabilität und Struktur der Upstream-Flüsse, die die Agulhas füttern.

Später, vor der südöstlichen Ecke von Südafrika, schlossen US-Forscher das Agulhas Current Time Series-Experiment (ACT) ab, das drei Jahre lang überwacht wurde. Eine Verwendung ihrer Daten war Grundwahrheit, um einen langfristigen satellitengestützten Index für Änderungen des Agulhas-Stroms zu erstellen.

Und jetzt setzt ein fortlaufendes multinationales Programm die Arbeit fort - Agulhas System Climate Array (ASCA). Es sammelt seit mindestens fünf Jahren beständige Beobachtungen, um regionale und globale Auswirkungen zu untersuchen - insbesondere das Klima.

Umfangreiches und permanentes Monitoring vor dem südlichen Afrika
Der Agulhas-Strom fließt polwärts vor der Ostküste des südlichen Afrikas. Dieser Hauptstrom übt vielfältige Einflüsse aus - lokal und global. Für das südliche Afrika sind die Agulhas von Seetransporten und regionalem Wetter bis hin zu lokaler Biodiversität betroffen. Weltweit sind die Wassereigenschaften von Agulhas jetzt mit dem Klimasystem der Erde verbunden.

Ungefähr ein Sechstel des von den Agulhas getragenen Volumens verlässt den Indischen Ozean für den Atlantik. Paläo-Studien legen nahe, dass die Menge über Äonen variiert hat. Unter der Spitze Südafrikas schließen sich Mäander in den Agulhas und verwandeln sich in Ringe mit großem Durchmesser. Diese Ringe breiten sich weit westlich in den zentralen S. Atlantic aus. Sie liefern dem zurückkehrenden Teil der globalen Umwälzzirkulation eine Quelle wärmerer und salzigerer Gewässer.

Das Ergebnis für Klimastudien ist ein erhöhtes Interesse daran, wie diese Ringe variieren. Verwandte Forschungen haben darüber nachgedacht, was ihre Vorläufermäander in den Agulhas auslöst. Im Gegenzug richtete sich die Aufmerksamkeit auf Wirbel, die weiter stromaufwärts in das Agulhas-System eintraten.

Um diese Komplexität zu entschlüsseln, wurde das Greater Agulhas Current System in den letzten zwei Jahrzehnten mit umfangreichen und ausdauernden Ankermatten untersucht. Ein kritisches Element war die Erfassung des von starken Strömungen im oberen Ozean transportierten Volumens. Aus diesem Grund wurden viele der Festmacherleinen mit den oben genannten Teledyne RDI ADCPs gekrönt.

Auf der anderen Seite haben ADCPs eine lange Geschichte in diesen Gewässern. Mitte der 1980er Jahre nutzte Prof. Fritz Schott (Universität von Miami) frühzeitig ADCPs, die sich auf den Liegeplätzen vor Afrika befanden, einschließlich des E. Madagascar Current.

Agulhas-Stromquellen-Experiment (ACSEX): 2000-2001
In den späten 1990er Jahren waren die Wissenschaftler unsicher, dass ein kontinuierlicher Grenzfluss vor Mosambik bestand, um die Agulhas zu versorgen. Um das Problem zu klären, führten holländische Wissenschaftler 2000-2001 das Agulhas Current Sources Experiment (ACSEX) durch. Die Studie wurde vom NIOZ (Niederländisches Institut für Meeresforschung) und seinen Partnern durchgeführt. Das Projekt konzentrierte sich auf die Stärke, Variabilität und Struktur von Strömungen.

Sieben Liegeplätze überspannten den Kanal von Mosambik für ein Jahr. Uplooking ADCPs wurden in 500 m Tiefe auf der Westseite installiert, wo ein Grenzstrom erwartet werden könnte. Ein zwingender Befund war, dass die Menge und Richtung des Wassers, das durch den Kanal transportiert wurde, bemerkenswert schwankte - viel größer als der Jahresdurchschnittswert. Die Forscher folgerten, dass es keinen anhaltenden Mosambik-Strom gab.

Der Transport von Wassermassen und Eigentum durch den Kanal war auf einen regelmäßigen Zug großer Wirbel (300 km Durchmesser) zurückzuführen, die sich nach Süden bewegten. Der Übergang dieser Wirbel war im ADCP und in den aktuellen Zählerdaten klar. Dies half bei der Interpretation von Satellitendaten.

Die kombinierte Analyse verstärkte die Vorstellung, dass die nach Süden treibenden Wirbel dynamische Katalysatoren seien. Sie bewirken nicht nur eine mesoskalige Variabilität des Agulhas-Stroms, sondern beeinflussen auch das in den Atlantik gelangte Wasservolumen.

Langzeitbeobachtungen des Meeresklimas (LOCO): 2003-2012
Aufgrund seiner faszinierenden Ergebnisse wurde ACSEX zum Sprungbrett für eine viel längere Beobachtungsstudie. Dies war Bestandteil des niederländischen Forschungsprogramms Long Term Ocean Climate Observations (LOCO).

Anfang 2003 installierten NIOZ und seine Partner sieben Tiefsegelände bei 17 ° S über den schmalsten Teil des Mosambik-Kanals. Das LOCO-Projekt hat das umfangreiche Mooring-Array mehrmals umgeschichtet. Die vollständige Anordnung wurde für sieben Jahre aufrechterhalten und eine reduzierte Anordnung sogar noch länger.

Die oberen 500 m enthielten die stärksten Strömungen. Beim anfänglichen Array-Design wurden sechs der Verankerungen mit nach oben gerichteten 75-kHz-ADCPs von Teledyne RDI gekrönt. Auf der westlichen Seite des Kanals hatten Liegeplätze ADCPs nahe dem Bett, um eine Unterströmung zu sehen, die äquatorwärts gerichtet ist.

Der Datensatz erstreckt sich über viele Jahre mit einer durchgehend beeindruckenden räumlichen Abdeckung des Mosambik-Kanals. Als der verfügbare Rekord länger wurde, untersuchten die niederländischen Wissenschaftler verschiedene Facetten des Volumentransports durch den Kanal. Insbesondere wird diese Langlebigkeit benötigt, um Verbindungen zu entfernten aktuellen Systemen in äquatorialen und indonesischen Regionen zu erkennen.

Die Forscher erkannten, dass die Variabilität im Transport in drei Kategorien eingeteilt werden konnte. Für kürzere Zeitskalen dominieren die wiederkehrenden großen Wirbel, die nach Süden führen, Veränderungen im Verkehr. Diese Schätzungen wurden statistisch zuverlässiger, wenn sie auf dem längeren Datensatz basieren.

Für saisonale Perioden waren leichte Änderungen der Durchflussmengen mit Windstressmustern über dem Becken des Indischen Ozeans verbunden.

Auf interannualen Zeitskalen wurden Veränderungen gefunden, die viel größer als saisonale Schwankungen waren. Diese Schwankungen im Volumentransport wurden großräumigen Klimaschwankungen zugeschrieben. Letztere werden durch einen regionalen Klimaindex-IOD (Indischer Ozean Dipol) identifiziert.

Aufgrund der langen Dauer des Datensatzes war es möglich, die Details dieser subtilen Klimaverbindung sichtbar zu machen. Bemerkenswerterweise wurde eine Verzögerung von fast 12 Monaten zwischen den Änderungen des IOD-Klimaindex und der entsprechenden Variation der Wassermengen, die dem Agulhas-Strom zugeführt werden, festgestellt.

Agulhas aktuelles Zeitreihen-Experiment (ACT): 2010-2013
Weiter südlich überspannte ein weiterer ausgedehnter Anker den Agulhas-Strom von 2010 bis 2013. Bei diesem Projekt handelte es sich um das US-amerikanische Agulhas Current Time Series-Experiment (ACT) unter der Leitung von Prof. Lisa Beal von der University of Miami. An der südöstlichen Küste Südafrikas, in Gewässern bis 4700 m Tiefe gelegen, war der ACT-Abschnitt entlang einer Bodenspur eines Satellitenhöhenmessers angeordnet.

Die Anlegemanöver umfassten sieben vollständige Anlegemöglichkeiten. Zu Beginn wurde jeder Ankerplatz mit einem auffälligen ADCP gekrönt, um starke Strömungen in den oberen 350 m zu überwachen. Höchstgeschwindigkeiten waren fast 2 m / s. In einem späteren Einsatz wurden Verankerungen in der Nähe des Kerns des Stroms tiefer abgeschlossen. Sie trugen einen aufsehenerregenden 75 kHz Long Ranger ADCP, um Ströme in den oberen 500 m zu messen.

Der Strom war etwa 200 km breit und erreichte 3000 m Tiefe. Das transportierte Wasser betrug 84 Millionen Kubikmeter pro Sekunde. Eine ähnliche Entladung wurde für die oberen 2000 m des Golfstroms gemeldet, wo er die US-Küste verlässt.

Zusätzlich zu der Quantifizierung des Wasservolumens, das von den Agulhas getragen wird, zeigten die Festmachendaten, wie sich dieser Transport mit der Jahreszeit änderte. Diese Beobachtungen lieferten eine Grundwahrheit, die frühere satellitengestützte Ergebnisse unterstützte. Zuvor war Letzterer befragt worden. Die Phase ihres jährlichen Zyklus war "fast entgegengesetzt" zu Ergebnissen von Computermodellen und Beobachtungen weiter nördlich im Mosambik-Kanal.

Diese Validierung mit den verankerten Messungen war essentiell für die Wissenschaftler, um die Höhenmesserdaten als einen 20-Jahres-Index des Transports des Stroms zu verwenden. Dieser Index bot eine viel längere Aufzeichnung für die Untersuchung saisonaler und interannual Änderungen in der aktuellen.

Von Bedeutung war die Reaktion der Agulhas auf die Intensivierung der globalen Windmuster seit den 1990er Jahren. Der mittlere Fluss der Agulhas hat nicht zugenommen. Dieser Befund widerspricht einigen theoretischen Erwartungen. Vielmehr wird die Verteilung des aktuellen Feldes nun breiterer Eddy-Action zugeschrieben. Ein Folgeeffekt ist ein größerer Austausch von Wassereigenschaften mit Küstengewässern. Solche Veränderungen in der Nährstoffversorgung könnten sich auf die regionale Fischerei auswirken.

Agulhas System Climate Array (ASCA): 2015 - heute
Ab 2015 belegt das Agulhas System Climate Array (ASCA) den gleichen Transekt wie ACT bei 34 ° S. Das Projekt umfasst Wissenschaftler aus mehreren Nationen. Sie zielen darauf ab, anhaltende Beobachtungen des Agulhas-Stroms für mindestens fünf Jahre zu sammeln.

Das ASCA-Array umfasst neun Liegeplätze, die 200 km vor der Küste reichen. Im tiefen Wasser sind sieben hohe Liegeplätze bis 4500 m. Näher an der Küste sind zwei Meeresbodenliegeplätze in der Nähe von 100 m Tiefe. Letztere verwenden 300 kHz ADCPs, während die tiefen Verankerungen 75 kHz Long Ranger ADCPs tragen.

Diese Zeitreihen werden Variationen in den Flüssen der Wassereigenschaften sowie der durch den Strom transportierten Volumina dokumentieren. Zwei Aspekte stießen auf besonderes Interesse: Veränderungen über mehrere Jahre und Austausch mit Küstengewässern, die für die Fischerei von Bedeutung sind.

Bei der Behandlung seines Klimaspakets wird das ASCA-Projekt einen einzugsgebietsweiten Kontext berücksichtigen. Der ozeanische Transport von Wärme wird betont.

Die ASCA-Wissenschaftler planen, Ergebnisse in den Agulhas-Strom mit Informationen aus dem Inneren zu verschmelzen. Letztere stammen von Satelliten und Argo Profiling Floats. Diese anderen Quellen werden großräumige Mechanismen (z. B. Wind, Fernozeanzirkulation) quantifizieren, von denen angenommen wird, dass sie Schwankungen im Agulhas-System verursachen. Insbesondere wollen Wissenschaftler Ideen über die Reaktion des Greater Agulhas Current auf ein sich veränderndes Klima - insbesondere globale Windsysteme - untersuchen.

Vorausschauen
Der Einfluss großer Meeresströmungen auf unser Lebensumfeld - von Hurrikans bis zum Klima der Erde - wird heute mehr geschätzt. Die Entwicklung dieses Verständnisses war und bleibt jedoch eine Herausforderung.

Um die langfristigen Auswirkungen der Erderwärmung zu klären, bedarf es einer Mischung von Methoden. Moored Arrays i große Meeresströmungen liefern eine wesentliche Zutat. Erkenntnisse stammen von Forschern, die Computermodelle und satellitengestützte Beobachtungen verwenden. Und Drifter, Glider und Floats können Schnappschüsse liefern. Aber es gibt keinen Ersatz dafür, in diesen tiefen und energetischen Strömungen herumzuhängen.

Damit Wissenschaftler langfristige Trends und Verbindungen in großem Maßstab erkennen können, müssen diese verankerten Arrays anhaltende Zeitreihen sammeln. Ihre Instrumentierung und Festmacher müssen widerstandsfähig sein. Und Hochgeschwindigkeitsströme der oberen Ozeane müssen gemessen werden. Für all diese Ozean-beobachtenden Anforderungen bleibt Teledyne RDI ADCPs eine einzigartig relevante Lösung.