Wind forcing due to synoptic storm activity over the North Pacific Ocean

Abstract

Six‐hourly surface wind analyses over the North Pacific Ocean covering the 10‐year period 1969–78 are used to describe synoptic storm activity in terms of parameters that are directly related to the atmospheric forcing of the ocean. The cube of the atmospheric friction velocity, u³ _* and the curl of the surface wind stress, curl τ, are used because of their relationship to turbulent vertical mixing and Ekman pumping in the ocean, respectively. In an attempt to isolate synoptic disturbances from mean fields, the time series of surface wind components at each individual grid point are partitioned into “high‐pass” (periods shorter than 10 days) and “low‐pass” (periods longer than 10 days) components by means of conventional filtering procedures. The two quantities u³ _* and curl τ are then calculated from (a) the high‐pass filtered wind components only, (b) a combination of the filtered wind components that include the interaction between the high‐ and low‐pass fields, and (c) the unfiltered wind components. These quantities describe the atmospheric forcing of the ocean that is attributable to (a) synoptic storm activity by itself, (b) synoptic storm activity in the presence of the low‐pass (mean) flow, and (c) the total spectrum of wind forcing, respectively.

Maps of the long‐term (10‐year) monthly mean u³ _* calculated from (a) and (b) are coherent across the mid‐latitude North Pacific and appear to coincide with the normal seasonal evolution of synoptic storm activity in that region. In mid‐latitudes, the values of u³ _* calculated from (a) and (b) are 27 and 83%, respectively, of the value of u³ _* itself. Thus, a major fraction of the production of turbulent energy available for mixing in the upper layers of the ocean comes from synoptic disturbances with a period shorter than 10 days. Maps of the long‐term monthly mean wind stress curl are quite different in that the mean wind stress curl calculated from (a) is essentially negligible. However, the mean curl calculated from (b) closely resembles the pattern of total curl (c), but with a magnitude of only 41% of (c). Thus, synoptic disturbances with a period shorter than 10 days are also responsible for a significant fraction of the Ekman pumping of the ocean.

Future studies with these data will attempt to determine whether a relationship exists between synoptic storm activity, as measured by the parameters developed in this study, and large‐scale sea‐surface temperature anomalies.

Résumé

Les analyses du champ du vent, toutes les six heures dans la région du Pacifique Nord de 1969 à 1978 sont étudiées pour décrire les cyclones synoptiques, au moyen de paramètres en fonction directe de l'effet de Vatmosphère sur l'océan. Le cube de la vitesse de frottement atmosphérique u³ _* ainsi que le rotationnel de la force du vent, rotationnel τ, ont été choisis à cause de leur rapport avec le mélange vertical turbulent et le pompage d'Ekman en mer. Afin de séparer les perturbations synoptiques des champs moyens, la série temporelle des composantes du vent en surface a été divisée à chaque point de grille en deux composantes: la composante du “cycle rapide” (dont la période est inférieure à 10 jours) et la composante du “cycle lent” (dont la période excède 10 jours), ceci a été accompli à l'aide des méthodes de filtrage conventionnelles. Les valeurs de u³ _* et le rotationnel τ sont calculées pour (a) les composantes du vent uniquement filtrées par le cycle rapide, (b) une combinaison de composantes de vent filtrées qui inclut le résultat de Vinteraction entre les champs des cycles rapide et lent, (c) les composantes du vent non filtrées. Ces quantités décrivent l'effet de l'atmosphère sur l'océan résultant (a) du cyclone synoptique même, (b) de la présence du cyclone synoptique dans un écoulement moyen à cycle lent, et (c) du spectre total de l'effet du vent.

Les valeurs mensuelles moyennes de u³ _* obtenues à long terme (10 ans), et calculées à partir de (a) et (b) sont cohérentes dans les latitudes moyennes du Pacifique Nord et semblent concorder avec la progression saisonnière des cyclones synoptiques de cette région. Aux latitudes moyennes, les valeurs de u³ _* obtenues à partir de (a) et (b) sont respectivement 27 et 83% de la valeur de u³ _*. Il découle par conséquent qu'une bonne partie de l'énergie turbulente disponible au mélange des couches supérieures de l'océan provient des cyclones synoptiques dont la période est inférieure à 10 jours. Les valeurs mensuelles moyennes du rotationnel de la force du vent, prises sur une longue période de relevé sont par contre bien différentes, on trouve notamment que la valeur moyenne du rotationnel de la force du vent, calculée à partir de (a) est, pour toute fin pratique, négligeable. Par contraste on trouve que le rotationnel moyen obtenu de (b) ressemble étroitement à la configuration du rotationnel total (c), mais ne vaut que 41% de sa valeur. Les cyclones synoptiques d'une période inférieure à 10 jours sont donc aussi la cause d'une partie considérable du pompage d'Ekman dans l'océan.

Des études ultérieures fondées sur ces données tenteront d'établir s'il existe un rapport entre les cyclones synoptiques, tel que décrits par les paramètres de la présente étude, et les anomalies à grande échelle de la température de surface de la mer.