Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Institut für Physik

Fachgebiet: Physikalische Ozeanographie

Betreuer: PD Dr. Lars Umlauf



Chris Lappe
(e-mail: chris.lappe@uni-rostock.de )

Boundary mixing in non-tidal basins: Observations from the Baltic Sea

Diapycnal mixing is important to close the overturning circulation of the Baltic Sea and to explain the vertical transport of tracers. This work focuses on boundary mixing in a non-tidal basin which constitutes a diapycnal mixing process that is presently not well understood. The investigations are based on two data sets from the Bornholm Basin (southern Baltic Sea), which were obtained during different seasons and include high-resolution CTD, shear microstructure, and velocity data. In summer, a highly turbulent and strongly stratified bottom boundary layer (BBL) of a few meters thickness develops, which exhibits high mixing rates and a bulk mixing efficiency that is comparable to the interior value of Γ = 0.2. Near-inertial wave motions were identified as the main energy source for these boundary mixing processes. The contribution of the BBL mixing region to the overall diapycnal mixing and energy dissipation exceeds the contribution of the interior region. However, the BBL turbulence was found to be suppressed within the halocline, and therefore does not contribute to cross-halocline mixing in this region. In winter, a BBL of similar thickness to the summer situation could be identified, characterized by large bulk mixing efficiencies. Different from the summer situation, the BBL was not suppressed within the halocline and shear-induced turbulence was found to destabilize the halocline close to the sloping walls of the basin, potentially increasing turbulent transport across the halocline region. The results of this thesis are likely to be relevant also for other non-tidal system, for example for large lakes and inland seas.

Diapyknische Vermischungsprozesse schließen die thermohaline Zirkulation der Ostsee und sind verantwortlich für den vertikalen Transport gelöster Stoffe (Tracer). Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem noch wenig verstandenem Aspekt der Randmischung in einem nicht gezeitengetriebenem Becken. Die Untersuchung stützt sich auf zwei zu verschiedenen Jahreszeiten erhobenen Datensätzen aus dem Bornholm Becken (südliche Ostsee), umfasst zeitlich und räumlich hochaufgelöste CTD-Daten sowie Schermikrostruktur- und Geschwindigkeitsmessungen. Im Sommer war die Bodengrenzschicht (BBL) wenige Meter dick und zeichnete sich sowohl durch erhöhte Turbulenz als auch durch erhöhte Mischungsraten aus. Die mittlere Mischungseffizenz der Grenzschicht erreichte dabei einen Wert, der ungefähr dem Wert der internen Mischung Γ = 0.2 entspricht. Interne Wellen nahe der Trägheitsfrequenz sind die wichtigste Energiequelle für die beobachtete Randmischung. Der in der Grenzschicht geleistete Beitrag zur Energiedissipation und Mischung überstieg jeweils den Beitrag aus dem Innern des Beckens. Im Bereich der Haloklinen jedoch wird die turbulente BBL unterdrückt. Ein Beitrag zur Mischung durch die Halokline leistete die BBL somit nicht. Im Winter ließ sich ebenfalls eine Bodengrenzschicht beobachten, die der BBL des Sommers ähnelte und erhöhte Mischungseffizenzen aufwies. Im Gegensatz zumSommer fand keine Unterdrückung der BBL in der Haloklinen statt. Zusätzlich erfolgte eine Destabilisierung der Haloklinen durch scherungsbedingte Turbulenz am Beckenrand. Beide Prozesse erhöhten die turbulenten Transportraten durch die Halokline. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind ebenfalls relevant für andere nicht gezeitengetriebene Systeme wie große Seen oder Binnenmeere.