shelf water entrainment by gulf stream warm-core rings ... · introduction the common occurrence of...

     INTRODUCTION 

The  common occurrence of anti­cyclonic Gulf  Stream warm­core  rings (WCRs) within  the western North Atlantic’s Slope Sea (SS) and their role in causing seaward entrainment of outer continental shelf water into the SS along their eastern margins, have been well documented (Fig. 1). However, most reports concerning WCRs and their associated shelf water entrainments have been based upon single surveys or time­series from individual WCRs. To date, estimates of annual shelf water volume entrained into the  SS  by  WCRs  and  its  inter­annual  variability  (IAV)  have  not  been  made.  Recognizing  that  WCRs  significantly  affect  the hydrographic,  physical  and  biogeochemical  environment  of  the  continental  shelf  and  slope  region  we  address  the  following questions: (1) How much shelf water is transported into the Slope Sea due to streamer entrainment by WCRs? (2) Does WCR activity affect the volume transport of shelf water into the Slope Sea? (3) Is there any inter­annual variability in the volume transport?   

DATA AND METHODS Positions of all observable WCRs between 1978 to 1999 within 75° and 50°W are obtained from hand digitized satellite images and U. S. Navy charts produced at Bedford Institute of Oceanography (Fig. 2). The observations are analyzed using an ellipse­fitting feature model [Gangopadhyay et. al. 1997] to determine key characteristics like ring center position and radius, which are then used to compute swirl velocity by finite differencing ring orientations (θ) obtained from the feature model time series (Fig. 3).    Model  uncertainty  is  determined  by  computing  error  of  fit  for  each  observation  and  propagated  through  subsequent calculations. A  2­D  Ring  Entrainment  Model  (REM)  is  used  to  estimate  streamer  entrainment  events  for  individual  ring  observations  and subsequent  temporal  integration  results  in  shelf water volume  transports. REM is based on a variation of  the quasi­geostrophic potential vorticity equation proposed by Stern [1987]. The model equation is as follows:  

PV = ζ/f ­ r’/Rm        (1)  ζ = V/R + dV/dR [Csanady, 1979]  is relative vorticity for WCRs, where V is  the swirl velocity of  the ring, f = 2W sinφ is  the planetary vorticity, Rm is mean radius of ring and r’ is deviation from the mean radius (Rm) in time. The potential vorticity in this case  is  dimensionless  and  ∆PV=0  is  considered  steady  state.  If ∆PV becomes greater  than 0  during  the  lifetime  of  the  ring,  it implies ζ/f term (Rossby Number) in (1) dominates the r’/Rm term, thus causing instability. To revert back to steady state the ring will need  to  increase r’  i.e.  increase  its radius or entrain ambient water. Proximity of a WCR to  the position of  the  shelf­slope front determines whether the ambient water entrained is derived from the outer continental shelf. Conversely, if ∆PV becomes less than 0, it implies r’/Rm term will dominate the Rossby number of the ring, and will have to decrease its radius or detrain water to regress back to steady state.   

RESULTS & CONCLUSIONS WCR entrainment of shelf water events are obtained using REM. A regional analysis of entrainment events shows (Fig. 4) that maximum entrainment occurs off the Georges Bank (GB) region (70°­65°W) and minimum entrainment happens off the Gulf of St. Lawrence (GSL) region (60°­55°W). Garfield and Evans [1987] determined shelf water entrainment off the GB region to be 69 ± 20% on examination of 7 years of satellite and drogue data. Our analysis presents a more conservative estimate (50.60 ± 8.57%) over 22 years of observations. REM  provides  the  length  scale  of  streamers  that  pull  out  water  from  the  shelf.  Since  this  scale  is  the  most  dominant  for calculating volume, reasonable assumptions of the width (12 km from Bisagni [1983]) and depth (60m from Schlitz [2003]) are made to derive shelf water volume fluxes. Individual streamer fluxes are temporally integrated to provide annual estimates of shelf water volume transport (Fig. 5A). WCR observations were recorded at every 7 days  till 02/04/81 and subsequently every  3  days.  Since  streamers  usually  have  life­spans  lesser  than  7  days,  volume  transports  during  1978  to  1980  are  grossly underestimated and hence neglected. Annual shelf water volume transport fluxes show significant positive correlation (p­value = 0.0001, r = 0.9331) with WCR activity (Fig. 5B) at zero­lag (Fig. 5D).  Volume transport calculations show considerable inter­annual variability (Fig. 5A). On annual to decadal time scales, the single largest factor affecting the circulation of the North Atlantic basin is the North Atlantic Oscillation (NAO). Correlations between the North Atlantic Oscillation Wintertime Index (NAOWI) and ring activity are seen to be significantly positively correlated (p­value = 0.0135, r = 0.6122) with maximum correlation occurring at zero­lag (Fig. 5E). Significant correlation between NAOWI and ring activity and recognizing the profound affect of ring activity on shelf water volume transports suggests a direct coupling between the NAO forcing and shelf water volume fluxes. Cross correlation between NAOWI and shelf water transport show maximum significant positive correlation (p­value=0.054, r= 0.6221) at a lag of 1 year (Fig. 5C).        

Figure  1.  Satellite  imagery  of  Sea  Surface  Temperature  (SST)  for  the Northwest  Atlantic  (NWA)  region  on  07/04/2001  (Source:  John  Hopkins APL). The Gulf Stream (GS) (A) can be seen as a  turbulent  jet separating the warm Sargasso Sea (B) from the colder continental shelf (C). The Slope Sea (SS) (D) is shown as an  intermediate region engulfing two warm core rings (E,F). 

ACKNOWLEDGEMENTS The  authors  would  like  to  thank  Dr.  K.  Drinkwater, Institute  for  Marine  Research,  Bergen,  Norway  and  R. Pettipas, Bedford Institute of Oceanography, Dartmouth, Nova Scotia, Canada, for providing digitized Gulf Stream north  wall,  shelf­slope  front  data  and  warm­core  ring positional  data.  This  work  is  being  supported  by  the NASA’s  Interdisciplinary Science  (IDS) Program, under grant number NNG04GH50G. 

University of MassachusettsUniversity of MassachusettsSchool for Marine Science and TechnologySchool for Marine Science and Technology

New Bedford, Massachusetts,  USANew Bedford, Massachusetts,  USA(g_achaudhuri@umassd.edu, jbisagni@umassd.edu, (g_achaudhuri@umassd.edu, jbisagni@umassd.edu, 

avijit@umassd.edu)avijit@umassd.edu)

Shelf Water Entrainment by Gulf Stream Warm-Core Rings Between 75° and 50°WShelf Water Entrainment by Gulf Stream Warm-Core Rings Between 75° and 50°WAyan ChaudhuriAyan Chaudhuri, James J. Bisagni and Avijit Gangopadhyay, James J. Bisagni and Avijit Gangopadhyay

Figure  3.  Computed  swirl  velocities  averaged  spatially  into  one­degree latitude and longitude bins between 75o and 50oW based upon WCR center positions  from  1978  to  1999.  Global  mean  WCR­edge  swirl  velocity calculated  from  all  observations  is  105.72  ±  0.7  km/day  (122.36  ±  0.81 cm/sec)..  Binned  swirl  velocities  are  in  general  agreement  with  the  known WCR  formation mechanism; displaying  higher  velocities  in  the  vicinity  of the Gulf Stream North Wall and successively lower velocities as WCRs age and  propagate  southwestward  through  the  SS,  impinging  along  the  outer continental shelf. 

GSNWSSF

AA

Figure  2.  WCR  Observations  (1978­1999)  at  1  degree  resolution  between 75o and 50oW, based upon WCR center positions. Maximum ring activity is around Georges Bank region (70°­ 65°W).   

Figure  4.    Regional  entrainment  statistics  based  on  computations  from REM.  The  spatial  domain  is  divided  into  5  main  regions,  namely,  Mid­Atlantic Bight (MAB), Georges Bank (GB), Scotian Shelf (SS), Gulf of St. Lawrence  (GSL)  and  Tail  of  Grand  Banks  (TGB).  Error  estimates  are shown for ambient and shelf water entrainment 

Figure  5.    The  lagged  correlations  (C,D,E)  are  computed  after  discarding shelf water volume estimates from 1978 to 1980 due to underestimation. 

 REFERENCES Bisagni  J.J,  1983:  Lagrangian  Current  Measurements  within  the  Eastern  Margin  of  a  Warm­Core Gulf Stream Ring, JPO, 13(4), 1177­1190 

 Csanady G. T., 1979: The birth and death of a warm core ring, JGR, 84(C2), 777­780  Gangopadhyay A., Robinson A. R., Arango H. G., 1997: Circulation and Dynamics of the Western North  Atlantic.  Part  I:  Multiscale  Feature  Models,  Journal  of  Atmosphere  and  Oceanic Technology, Vol (12), 1314­1332.   Garfield  III  N.,  Evans  D.,  1987:  Shelf  Water  Entrainment  by  Gulf  Stream  Warm­Core  Rings, JGR,92(C12), 13003­13012.  Schlitz R., 2003: Interaction of Shelf Water with Warm Core Rings, Focusing  in  the kinematics and statistics of Shelf Water Entrained within Streamers, NOAA Technical Memorandum NMFS­NE­170  Stern M.,  1987: Large­scale Lateral Entrainment and Detrainment at  the edge of a Geostrophic Shear Layer, JPO, 17(10), 1680­1687    

C

A

E

F

B

D

C

D

E

A

B