Steric Sea Level in the Los Alamos POP Code—Non-Boussinesq Effects

ABSTRACT

The recent availability of accurate global ocean surface elevation data from satellites permits intercomparison with model results, and therefore raises the question of the accuracy of the computed sea level in ocean models. Most models, even those that incorporate a free surface, make use of the Boussinesq approximation—that is, they assume an incompressible fluid and conserve volume rather than mass. This results in an error in predicting steric sea level changes. The Los Alamos POP model, a free-surface Bryan-Cox type of ocean model developed for parallel computers, is in this category. We generalize the POP (Parallel Ocean Program) model to account for non-zero dilatation (non-zero velocity divergence—the primary non-Boussinesq effect) due to a variety of causes, such as expansion due to thermal and salinity mixing, as well as compressibility. We then compute both local and global changes of the sea level due to these effects and conclude that overall global dynamic effects are entirely negligible. There are some small local effects such as a very small increase in the Antarctic Circumpolar Current transport, for example. We also observe a global mean sea level decrease at a rate on the order of a half-metre per Century. While in this case this is most likely due to the ocean relaxing toward equilibrium (the computation is not initiated from a state of equilibrium), this does indicate that mean ocean expansion/contraction may be Significant from the point of view of climate and ought to be included in models.

RÉSUMÉ

La récente disponibilité de données satellitaires, mondiales et précises, du niveau de la surface océanique a permis de les comparer aux résultats des modèles et a soulevé le problème de la précision des calculs du niveau de la mer des modèles. Presque tous les modèles, même ceux incorporant une surface libre, utilisent l'approximation de Boussinesq (ils considèrent le fluide incompressible et conservent le volume plutôt que la masse). Il en résulte une erreur dans la prévision des changements stériques du niveau de la mer. Le modèle POP (Parallel Ocean Program) de Los Alamos, modèle de l'océan à surface libre de type Bryan-Cox développé pour les multiprocesseurs, est l'un de ces modèles. On généralise POP pour tenir compte de la dilatation non nulle (vitesse de divergence non nulle—l'effet non Boussinnesq principal) résultant de plusieurs causes, dont l'expansion due aux mélanges thermique et salin ainsi que la compressibilité. On calcule alors les changements locaux et globaux du niveau de la mer entraînés par ces effets et détermine que les effets dynamiques globaux sont très négligeables. Il y a quelques effets locaux comme, par exemple, une très petite augmentation dans le transport du courant circumpolaire antarctique. On observe aussi une diminution globale du niveau moyen de la mer à un taux de l'ordre d'un demi-mètre par siècle. Bien que dans ce cas elle résulte probablement de l'océan retournant à l'équilibre (le calcul n'est pas initié à partir d'un état à l'équilibre), ceci indique que l'expansion/contraction moyenne de l'océan peut être significative du point de vue du climat et devrait être incluse dans les modèles.