Thermohaline variability and mixing dynamics in the Western Mediterranean deep waters within the Western Mediterranean Transition

Abstract

[eng] . Introducción During winter 2005, a large production of anomalous dense waters triggered the formation of a complex deep thermohaline structure, which led to a basin-scale abrupt shift in the historical evolution of the Western Mediterranean characteristics. This new situation, termed the Western Mediterranean Transition (WMT), has been traced since its formation by the Instituto Español de Oceanografía throughout a regularly sampled deep hydrographic station located in the northeastern continental slope of Minorca Island. . Contenido de la investigación From this long-term hydrographic time series, the thermohaline evolution of the WMT signal between 2005 and 2017 is analyzed in this doctoral thesis. By means of a 1-D diffusion numerical model that includes parameterizations of double-diffusive mixing phenomena, the diffusive evolution of the WMT structure was reproduced and the contribution to the heat and salt budgets of the deep waters in terms of ventilation due to lateral advection of dense waters and downward diffusive transference from the intermediate layers was evaluated. Results show distinct stages in the deep waters evolution, dominated by permanent diapycnal mixing and interannual water renewals. Overall, the deep layers of the Western Mediterranean underwent remarkable heat and salt gains during this period, mostly due to the production of deep waters during the 2005-2006 and 2011-2013 periods. Heat uptake rate within the WMT was higher than estimations for the intermediate layers of the global ocean. The analysis of the long-term evolution highlighted the rapid consumption of near-bottom signatures of the hydrographic structure of the WMT during its initial stages. By permitting vertical variation of the background mixing coefficient in the 1-D model and including a localized heat and salt source term to represent the lateral advection of dense waters from the formation area, the observed evolution was successfully reproduced. The results robustly indicate that not only the densest levels, but almost the whole portion of the deep waters disturbed by the WMT structure off Minorca, was subjected to persistent, enhanced turbulent mixing during the 2005-2007 period, well above previous regional estimates and common values of the deep Western Mediterranean interior. The regional continental slope was regarded as a plausible source of the intensified deep mixing diagnosed by the modeling approach necessary to reproduce the observations during the considered period. By means of novel, extensive oceanographic observations gathered in recent years, the occurrence of bottom-generated small-scale turbulence over the continental slope of Minorca is evidenced during intensification periods of the along-slope deep boundary current. The observations are compatible with a deep-ocean boundary mixing mechanism recently documented in the Southern Ocean, which promotes enhanced diapycnal mixing rates over the topography and lateral exchange of near-boundary well-mixed waters and stratified interior waters.

. Conclusión This doctoral thesis complements and advances our knowledge on the WMT climatic event, its temporal evolution, the large-scale effects of the distinct mixing regimes operating throughout the water column off Minorca, the contribution of vertical diffusive and lateral advective heat-salt transports to the deep budgets, and provides insights into the unexplored regional deep mixing environment.

[spa] . Introducción Durante el invierno de 2005, una gran producción de aguas densas anómalas desencadenó la formación de una compleja estructura termohalina profunda que causó un cambio abrupto en la evolución histórica de las características del Mediterráneo occidental. Esta nueva situación, denominada la Transición del Mediterráneo Occidental (WMT por sus siglas en inglés), ha sido monitorizada desde su formación por el Instituto Español de Oceanografía a través de una estación hidrográfica profunda visitada regularmente, localizada en el talud continental nororiental de la isla de Menorca. . Contenido de la investigación En esta tesis doctoral, a partir de esta serie temporal hidrográfica de larga duración, se analiza la evolución termohalina de la señal de la WMT entre 2005 y 2017. Por medio de un modelo numérico unidimensional de difusión que incluye parametrizaciones de fenómenos de mezcla doble-difusiva, se reprodujo la evolución difusiva de la estructura de la WMT y se evaluó la contribución al contenido de calor y sal de las aguas profundas en términos de ventilación por advección lateral de aguas densas y de transferencia difusiva desde las capas intermedias. Los resultados muestran distintos estadios en la evolución de las aguas profundas, dominados por constante mezcla diapicna y renovaciones de agua interanuales. En general, las capas profundas del Mediterráneo occidental sufrieron importantes ganancias de calor y sal durante este periodo, debido principalmente a la producción de aguas profundas durante los periodos 2005-2006 y 2011-2013. La tasa de absorción de calor durante la WMT excede las estimaciones para las capas intermedias del océano global. El análisis de la evolución a largo plazo remarcó la rápida erosión de firmas termohalinas de la parte más profunda de la estructura hidrográfica de la WMT durante sus estadios iniciales. Permitiendo que el coeficiente de mezcla variase verticalmente en el modelo unidimensional e incluyendo un término fuente localizado de calor y sal para representar la advección lateral de aguas densas desde la zona de formación, se reprodujo satisfactoriamente la evolución observada. Los resultados indican robustamente que no solo los niveles más densos, si no que casi toda la columna de agua ocupada por la estructura de la WMT frente a Menorca estuvo sujeta a mezcla turbulenta intensificada y persistente durante el periodo 2005-2007, muy por encima de las estimaciones regionales realizadas anteriormente y de los valores comunes en el interior del Mediterráneo occidental profundo. El talud continental de Menorca fue considerado una fuente plausible de la mezcla intensificada necesaria para reproducir las observaciones con el modelo durante el periodo contemplado. Por medio de nuevas y exhaustivas observaciones oceanográficas obtenidas en años recientes, se evidenció el desarrollo de turbulencia de pequeña escala originada sobre el fondo del talud continental de Menorca durante periodos de intensificación de la corriente de contorno profunda a lo largo del talud. Las observaciones son compatibles con un mecanismo de mezcla de contorno, recientemente documentado en el océano Antártico, que favorece tasas elevadas de mezcla diapicna sobre la topografía e intercambio lateral entre aguas bien mezcladas cercanas al talud y aguas interiores estratificadas. . Conclusión Esta tesis doctoral complementa y avanza nuestro conocimiento del evento climático de la WMT, su evolución temporal, los efectos de larga escala de los diferentes regímenes de mezcla que operan a lo largo de la columna de agua frente a Menorca, la contribución de los transportes por difusión vertical y advección lateral al balance de calor y sal en las profundidades y aporta información sobre el ambiente de mezcla profunda inexplorado en la región.

[cat] . Introducción Al llarg de l'hivern de 2005, una gran producció d'aigües denses anòmales va desencadenar la formació d'una complexa estructura termohalina profunda que va causar un canvi abrupte en l'evolució històrica de les característiques del Mediterrani occidental. Aquesta nova situació, denominada la Transició del Mediterrani Occidental (WMT per les seves sigles en anglès), ha sigut monitorada des de la seva formació per l'Institut Espanyol d'Oceanografia a través d'una estació hidrogràfica profunda regularment visitada i localitzada en el talús continental nord-oriental de l'illa de Menorca. . Contenido de la investigación En aquesta tesi doctoral, a partir d'aquesta sèrie temporal hidrogràfica de llarga durada, s'analitza l'evolució termohalina del senyal de la WMT entre 2005 i 2017. Mitjançant un model numèric unidimensional de difusió que inclou parametritzacions de fenòmens de barreja doble-difusiva, es va reproduir l'evolució difusiva de l'estructura de la WMT i es va avaluar la contribució al contingut de calor i sal de les aigües profundes en termes de ventilació per advecció lateral d'aigües denses i de transferència difusiva des de les capes intermèdies. Els resultats mostren diferents estadis en l'evolució de les aigües profundes, dominats per una barreja diapicna constant i renovacions d'aigua interanuals. En general, les capes profundes del Mediterrani occidental van sofrir importants guanys de calor i sal durant aquest període, degut principalment a la producció d'aigües profundes durant els períodes 2005-2006 i 2011-2013. La taxa d'absorció de calor durant la WMT excedeix les estimacions per a les capes intermèdies de l'oceà global. L'anàlisi de l'evolució de llarg termini va remarcar la ràpida erosió de les firmes termohalinas prop del fons de l'estructura hidrogràfica de la WMT durant els seus estadis inicials. Permetent que el coeficient de barreja varies verticalment en el model unidimensional i incloent un terme font localitzat de calor i sal per representar l'advecció lateral d'aigües denses des de la zona de formació, es va reproduir satisfactòriament l'evolució observada. Els resultats indiquen robustament que no només els nivells més densos, sinó que quasi tota la columna d'aigua ocupada per l'estructura de la WMT enfront de Menorca va estar subjecta a barreja turbulenta intensificada i persistent durant el període 2005-2007, molt per sobre de les estimacions regionals realitzades anteriorment i dels valors comuns en l'interior del Mediterrani occidental profund. El talús continental de Menorca va ser considerat una font plausible de la barreja intensificada necessària per reproduir les observacions amb el model durant el període contemplat. Mitjançant noves i exhaustives observacions oceanogràfiques obtingudes en anys recents, es va posar en evidència el desenvolupament de turbulència de petita escala originada sobre el fons del talús continental de Menorca durant períodes d'intensificació del corrent de contorn profund al llarg del talús. Les observacions són compatibles amb un mecanisme de barreja de contorn, recentment documentat en l'oceà Antàrtic, que promou taxes elevades de barreja diapicna sobre la topografia i intercanvi lateral entre aigües ben barrejades properes al talús i aigües interiors estratificades. . Conclusión Aquesta tesi doctoral complementa i avança en el nostre coneixement de l'esdeveniment climàtic de la WMT, la seva evolució temporal, els efectes de llarga escala dels diferents règims de barreja que operen al llarg de la columna d'aigua enfront de Menorca, la contribució dels transports per difusió vertical i advecció lateral al balanç de calor i sal en les profunditats i aporta informació sobre l'inexplorat ambient de barreja profunda en la regió.