Tracing water transport pathways in the coupled ocean-atmosphere system

Tracing water transport pathways in the coupled ocean-atmosphere system

Dipanjan Dey    Tracing water transport pathways in the coupled ocean-atmosphere system

Doctoral Thesis in Atmospheric Sciences and Oceanography at Stockholm University, Sweden 2021

Department of Meteorology

ISBN 978-91-7911-508-1

Dipanjan Dey

holds an equivalent B.E / B.Tech in Aeronautical engineering from the Aeronautical Society of India and a M.Tech in Climate Science and Technology from the Indian Institute of Technology Bhubaneswar (IITBBS).

He started his Ph.D in June 2017.

The water movement around the globe known also as the hydrological cycle is an essential process because it provides water to all the living organisms and drives weather patterns. In the present thesis, the global and regional hydrological cycles have been traced using an Eulerian and a novel Lagrangian framework. Stream function approach was implemented to gain a better understanding and reduce the complexity of the water circulation in the climate system.

Tracing water transport pathways in the coupled ocean-atmosphere system

Dipanjan Dey

Academic dissertation for the Degree of Doctor of Philosophy in Atmospheric Sciences and Oceanography at Stockholm University to be publicly defended on Friday 11 June 2021 at 10.00 online via Zoom, public link is available at the department website.

Abstract

Water is the most precious substance on the Earth and thus it is important to know how it moves around and is recycled.This knowledge will be useful to formulate educated future strategies about water usage in society and also to understand the near-surface salinity contrasts in the world ocean.In this thesis, water movement around the globe, known also as the hydrological or water cycle, have been traced regardless of in which phase the water is.Water is always on the move through space and in time and thus to reduce the dimensionality and complexity of the system, a stream-function approach was applied to gain a better understanding of the processes that govern the water cycle.The present work provides a unique picture of the complete hydrological cycle and how the water circulation in the atmosphere and ocean is connected at the surface by evaporation and precipitation.In addition, emphasize was given to track and understand the atmospheric part of the water circulation, which was accomplished using an Eulerian and a novel Lagrangian framework.

The first half of the thesis was focused on making use of a water-mass conservation equation for the atmosphere derived by computing the rate of change of the water-mass content inside a grid box and water transport through its faces. The vertical water transport calculated from this conservation equation thus not only consist of vertical advection of the water vapor, but also includes the evaporation and precipitation.This Eulerian methodology and the overturning stream function diagnostic was then used to present average atmospheric water circulation pathways along with their oceanic counterparts in a meridional-vertical coordinate system. Six coupled atmosphere-ocean water cells were discovered, which show the redistribution of the freshwater in the climate system.A warmer-climate scenario indicates a strengthening of these cells, which implies that the wet regions will be wetter and dry regions will get drier.In addition, atmospheric water transport from the Atlantic to the Pacific Ocean was computed from a Lagrangian perspective.The results shows that westerly winds, which prevail in the mid-latitudes and flow across Afro-Eurasia, actually contribute about 60% of the total Atlantic-to- Pacific atmospheric water transport, significantly more than previously thought.

In the latter half of the thesis, the origin and its variability responsible for the South Asian Summer monsoon precipitation was traced using Lagrangian atmospheric water trajectories.The Central and South Indian Ocean was found to be the main contributor to the precipitation and its variability over South Asia during the monsoon months.A complete view of the atmospheric hydrological cycle was finally achieved by tracing the global atmospheric water transport from the evaporation to the precipitation regions using Lagrangian trajectories. A matrix was constructed by sorting trajectories based on their starting (evaporation) and ending (precipitation) positions to show the atmospheric water transport connectivity within and between the three major ocean basins and the global landmass. In addition, a simplified schematic of the annual mean atmospheric water transports between global ocean and land was provided based on Eulerian and Lagrangian perspectives.This schematic reflects the advantage of using a Lagrangian framework, from which ocean-to-ocean, ocean- to-land, land-to-land and land-to-ocean atmospheric water transport could be and was calculated. The ocean-to-land and land-to-ocean water transport through the atmosphere was computed to be 2×10⁹ kg/s and 1×10⁹ kg/s respectively, a result which is not possible to achieve by using an Eulerian perspective.

Keywords: Hydrological cycle, inter-ocean atmospheric water transport, water-mass conservation, atmospheric water trajectories, overturning water-mass stream functions.

Stockholm 2021

http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:su:diva-192543

ISBN 978-91-7911-508-1 ISBN 978-91-7911-509-8

Department of Meteorology

Stockholm University, 106 91 Stockholm

TRACING WATER TRANSPORT PATHWAYS IN THE COUPLED OCEAN-ATMOSPHERE SYSTEM

 Dipanjan Dey

Tracing water transport pathways in the coupled ocean-atmosphere system

Dipanjan Dey

©Dipanjan Dey, Stockholm University 2021

 ISBN print 978-91-7911-508-1 ISBN PDF 978-91-7911-509-8

 Cover image: A picture at Karaikal, India. Photo by Adityan Ramkumar on Unsplash

 Printed in Sweden by Universitetsservice US-AB, Stockholm 2021

To my transformation

2×10⁹ 1×10⁹

kg/s

2 × 10⁹ 1 × 10⁹

সংিক্ষপ্তসার

জল পৃিথবীর সবেচেয় মূলয্বান সম্঩দ, সুতরাং তার প্রবাহ এবং পুনবর্য্বহারেযাগয্তা জানা গুরুত্বপূণর্।

এই তথয্ সমােজ জেলর বয্বহার সম্঩েকর্ িবশদভােব জানেত, আগাম েকৗশলগুিল গঠন করেত এবং

মহাসাগেরর িনকটতম পৃেষ্ঠ লবণাক্ততার তারতময্ উপলিব্ধেতও সাহাযয্ করেব। এই গেবষণামূলক প্রবেন্ধ, িবশ্ববয্াপী জেলর প্রবাহ, যা জলবাহীচক্র বা জলচক্র িহসােবও পিরিচত, তা জেলর পযর্ায় (কিঠন, তরল, গয্াসীয়) িনির্ব​েশেষ িনধর্ারণ করা হেয়েছ। জল সবর্দা স্থান এবং সমেয়র সেঙ্গ চলমান, তাই এই পদ্ধিতর িবস্তার এবং জিটলতা হ্রাস করেত, জলচক্রিট পিরচালনা কের এমন প্রিক্রয়াগুিল সম্঩েকর্ আরও ভালভােব েবাঝার জনয্ একিট প্রবাহিক্রয়া পদ্ধিত প্রেয়াগ করা হেয়েছ। বতর্মান গেবষণািট সম্঩ূণর্ জলবাহীচক্র এবং িকভােব বায়ুমণ্ডল ও মহাসাগের জেলর সঞ্চালন, বাষ্঩ীভবন এবং বৃষ্কিপােতর দ্বারা ভূপৃেষ্ঠ সংযুক্ত হয় তার একিট অননয্ িচত্রেরখা বির্ণ​ত কের। উপরন্তু, জলবাহীচেক্রর বায়ুমণ্ডলীয় অংশিটর গিতপথ িনণর্েয়র ওপেরও গুরুত্ব েদওয়া হেয়েছ, যা লয্াগ্রাঞ্জ এবং ইউলােরর িববৃত কাঠােমার মাধয্েম অির্জ​ত।

তত্ত্বােলাচনার প্রথমােধর্ বায়ুমণ্ডলীয় জলভর সংরক্ষণ সমীকরণ বয্বহােরর ওপর গুরুত্ব েদওয়া

হেয়েছ যা একিট িগ্রড বােক্সর অভয্ন্তরীণ জলভেরর সামিগ্রক পিরবতর্েনর হার এবং তার অিভমুেখর মাধয্েম জলভেরর সঞ্চালেনর পিরমােণর দ্বারা িনণর্য় করা হেয়েছ। এই সংরক্ষণ সমীকরণ েথেক প্রাপ্ত উল্লম্ব জলভর পিরবহন েকবলমাত্র জলীয় বােষ্঩র উল্লম্ব প্রবাহ দ্বারা গিঠত নয়, বাষ্঩ীভবন এবং

বষর্ার ধারােকও তা ধারণ কের। অতঃপর বায়ুমণ্ডল এবং মহাসাগের জল সঞ্চালেনর গিতপথ অক্ষ- উল্লম্ব স্থানােঙ্ক িনণর্েয়র জনয্ ইউলােরর কাঠােমা িনভর্র এই পদ্ধিত এবং আবির্ত​ত প্রবাহিক্রয়া প্রণালীর বয্বহার হেয়েছ। ছয়িট মহাসাগর-বায়ুমণ্ডল সিম্মিলত জেলর আবতর্নচক্র প্রথমবার আিবষ্কৃত হেয়েছ যা জলবায়ুিস্থত িবশুদ্ধ জেলর পুনবর্ণ্টন প্রিক্রয়ােক বণর্না কের। একিট উষ্ণ জলবায়ুেত জেলর এই আবতর্নচক্রগুিলর ক্ষমতা বৃিদ্ধ পােব যা িসক্ত অঞ্চলগুিলেক আদ্রর্ এবং শুষ্ক অঞ্চলগুিলেক অনাদ্রর্

করেব। এছাড়াও অতলািন্তক েথেক প্রশান্ত মহাসাগের বায়ুমণ্ডলীয় জলভর পিরবহণেক লয্াগ্রােঞ্জর কাঠােমা দ্বারা িনধর্ারণ করা হেয়েছ। ফলস্বরূপ েদখা যায় েয পিশ্চমা বায়ু, যা মধয্ অক্ষাংেশ িবস্তৃত এবং

আিফ্রকা - ইউেরাপ - এিশয়া জুেড় প্রবািহত হয়, তা প্রকৃতপেক্ষ অতলািন্তক েথেক প্রশান্ত মহাসাগেরর সমগ্র বায়ুমণ্ডলীয় জল পিরবহেনর প্রায় ৬০ শতাংশ বহন কের, যা পূবর্কিল্঩ত পিরমাণ অেপক্ষা উেল্লখেযাগয্

পিরমােণ েবিশ।

এই গেবষণার েশষােধর্, দিক্ষণ এিশয়ার গ্রীষ্মকালীন বৃষ্কিপােতর উৎস এবং তার পিরবতর্নশীলতা

বায়ুমণ্ডলীয় জেলর আবক্রপথ অনুসরণ কের িনণর্য় করা হেয়েছ। গ্রীষ্মকালীন বষর্ার মাসগুিলেত দিক্ষণ এিশয়ার বৃষ্কিপাত এবং তার পিরবতর্নশীলতায় মধয্ এবং দিক্ষণ ভারত মহাসাগর মূখয্ ভূিমকা পালন কের।বাষ্঩ীভবন এবং বৃষ্কিপােতর দ্বারা ভূপৃেষ্ঠ সংেযাগকারী বায়ুমণ্ডলীয় জল সঞ্চালেনর আবক্রপথেক অনুসরণ কের জলবাহীচেক্রর বায়ুমণ্ডলীয় অংশিটর একিট সম্঩ূণর্ িচত্র প্রাপ্ত হেয়েছ। িতনিট মূখয্

মহাসাগরীয় অববািহকা ও সমগ্র স্থলভােগর অন্তবর্তীর্ এবং মধয্বতীর্ বায়ুমণ্ডলীয় জল সঞ্চালেনর মেধয্

সংেযাগ স্থাপন করেত জেলর আবক্রপেথর সূচনা (বাষ্঩ীভবন) এবং পিরণিতর (বৃষ্কিপাত) অবস্থান

িবেশেষ েশ্রণীিবভাজন কের একিট ময্াট্রিক্স গঠন করা হেয়েছ। উপরন্তু, সমগ্র মহাসাগর এবং স্থলভােগর মেধয্কার বায়ুমণ্ডলীয় জল সঞ্চালেনর বাির্ষ​ক গড় একিট সরলীকৃত েরখািচেত্র িনধর্ারণ করা হেয়েছ যা

ইউলার এবং লয্াগ্রােঞ্জর কাঠােমা িভিত্তক। এই েরখািচত্র লয্াগ্রােঞ্জর কাঠােমা বয্বহােরর উপেযািগতা

প্রিতফিলত কের, যা েথেক মহাসাগর-মহাসাগর, মহাসাগর-স্থল, স্থল-স্থল এবং স্থল- মহাসাগেরর

বায়ুমণ্ডলীয় জল সঞ্চালেনর গিতপথ ও পিরমাণ অজর্ন করা যায় এবং তা অির্জ​ত। মহাসাগর েথেক স্থল এবং স্থলভাগ েথেক মহাসাগেরর জল সঞ্চালেনর িনণীর্ত হার যথাক্রেম 2 × 10⁹েকিজ / েসঃ

এবং 1×10⁹েকিজ / েসঃ, যা ইউলােরর কাঠােমা দ্বারা অজর্ন করা সম্ভবপর নয়।

সংিক্ষপ্তসার

Ocean evaporation

13

Ocean Precipitation

12

Evapotranspiration 2 Land

Precipitation 3

ICE 26,350

Ocean-to-land vapour transport

1

River dischar ge

Groundwater 15,300 Vegetation OCEAN

1,335,040

Soil moisture 122

Rivers and lakes 178

Atmosphere 12.7

Permafrost 22 1

10⁹ 10¹⁵

◦ ◦

◦

◦ ◦

a) Hadley’s model

b) Ferrel’s model

0° 30°N 60°N 90°N

30°S 60°S

90°S

0° 30°N 60°N 90°N

30°S 60°S

90°S

H H

F P

P F

◦

◦

Atmosphere

Ocean

South Eq. North

Tropic Hemispheric Cell

North Interhemispheric Cell South Interhemispheric Cell

Cells

Hemispheric Cell Hadley

Hadley Ferrel

Ferrel

Polar Polar

des

es =Lv

Rv

dT T²,

es T

Lv Rv

273

T Lv 2.5 ×10⁶J ·kg⁻¹ Rv J ·kg⁻¹· K⁻¹ es 273

ln es

6.11 $5.42 × 10³( 1 273 −

1 T).

◦

◦

◦

◦

M_{i, j,k}ⁿ =Sⁿ_{i, j,k}ρ_{i, j,k}ⁿ ∆xi, j∆yi, j∆zⁿ_{i, j,k},

Sⁿ_{i, j,k} ρ_{i, j,k}ⁿ

i, j k n

∆xi, j

∆yi, j

i, j ∆zⁿ_{i, j,k}

n i, j,k

M

U

U

W

W

Δx

Δy

Δz

M_{i, j,k}ⁿ

U V

U_{i, j,k}ⁿ = Sⁿ_{i, j,k}ρ_{i, j,k}ⁿ uⁿ_{i, j,k}∆yi, j∆zⁿ_{i, j,k}, V_{i, j,k}ⁿ = Sⁿ_{i, j,k}ρ_{i, j,k}ⁿ vⁿ_{i, j,k}∆xi, j∆zⁿ_{i, j,k}.,

u v

∆pⁿ_{i, j,k}=ρ_{i, j,k}ⁿ g∆zⁿ_{i, j,k},

g ∆p ∆p

∆z

∆z

U_{i, j,k}ⁿ =Sⁿ_{i, j,k}uⁿ_{i, j,k}∆yi, j∆pⁿ_{i, j,k}/g, V_{i, j,k}ⁿ =Sⁿ_{i, j,k}vⁿ_{i, j,k}∆xi, j∆pⁿ_{i, j,k}/g.

∂Mi, j,k

∂t +Ui, j,k−Ui−1, j,k+Vi, j,k−Vi, j−1,k+Wi, j,k−Wi, j,k−1=0,

W_{i, j,k−1}ⁿ =W_{i, j,k}ⁿ +

!

U_{i, j,k}ⁿ −U_{i−1, j,k}ⁿ +V_{i, j,k}ⁿ −V_{i, j−1,k}ⁿ +∂Mi, j,k

∂t

"

. W

Wi, j,1=0

W_{i, j,0}ⁿ

v_i,j−1 v_i,j

u_i−1,j u_i,j

X_i−1 X_i

Y_j

Y_j−1

Longitude

Latitude

vi, j v_{i, j−1}

ui, j u_{i−1, j}

u x

t

u(x,t) = u^t_{i−1, j,k}⁰ + x^t− x^t_i−1⁰

x^t_i¹− x^t_i−1⁰ (u^t_{i, j,k}¹ − u^t_{i−1, j,k}⁰ ) , u(x,t) = u^t_{i−1, j,k}⁰ +x^t− x^t_i−1⁰

∆x (u^t_{i, j,k}¹ − u^t_{i−1, j,k}⁰ ) , t0 t1

dx

dt +βx +γ=0,

β_{≡ (u}^t_{i−1, j,k}⁰ _−u^t_{i, j,k}¹ )/∆x γ_{≡ −u}^t_{i−1, j,k}⁰ ₋βx^t_i−1⁰ x x = x0 t = t0

x^t= (x0+γ

β^{)e−β (t−t0)−}γ β^.

∆xi, j ∆yi, j

i, j ∆zⁿ_{i, j,k}

k n

U V

r^s= (r0+γ

β^{)e−β (s−s0)−}γ β^,

r = x/∆x s ≡ t/(∆x∆y∆z) β≡ Ui−1, j,k−Ui, j,k

γ≡ −Ui−1, j,k−βr_i−1

ψ

∂ψ

∂x =v,∂ψ

∂y =−u,

u v

Sv ≡ 10⁹ 10^{6 3}

≈ 1000 ³

∂ψ(y,z^∗)

∂z = 1

t1−t0

# _t1 t₀

# _xe

x_w V (x,y,z⁽)dx dt , ψ(y,z^∗) = 1

t1−t⁰

# _t1 t₀

# _z∗

0

# _xe xw

V (x,y,z⁽)dx dz⁽dt , V

xw xe

ψocean(y,z^∗) y z^∗

ψocean(y,0) = 0 ψatm(y,0) = 0

∂ψ(x,z^∗)

∂z = 1

t1−t0

# t₁ t₀

# y_n

y_s U(x,y,z⁽)dy dt , ψ(x,z^∗) = 1

t1−t0

# _t1 t₀

# _z∗

0

# _yn

ys U(x,y,z⁽)dy dz⁽dt , U

ys yn

ψj,k=

∑kz k⁽=k∑

i ∑_m^{Ti, j,ky (,m ,}

T_{i, j,k}^y _(,m

m i j k

k = kz

ψi,k=

∑kz k⁽=k∑

j ∑_m^{Ti, j,kx (,m ,}

T_{i, j,k}^x _(,m m

kg/s

0.26 Sv 0.40 Sv

Jun Jul

Aug Sep

Sv/m 10⁹kgs⁻¹m⁻¹

Land Ocean

Ocean Land

5 4

1 17

16

1

17 16

15 2

4 5

1 3

1

Eulerian net estimates

Lagrangian net estimates (2) - (1) =1

Runoff

Runoff

আিম েতামােদর সবাইেক ভালবািস.