Theory and numerical simulations suggest that submesoscale fronts and filaments are subject to various types of instabilities, providing a potentially important pathway for the downscale transport and dissipation of mesoscale kinetic energy in the ocean. This thesis discusses the real-ocean relevance of these recent concepts based on high-resolution turbulence microstructure and near-surface velocity data from transient submesoscale upwelling filaments in the Benguela upwelling system (South-East Atlantic). The focus of this study is sharp submesoscale fronts located at the edge of the filaments, characterized by persistent downfront winds, a strong frontal jet, and vigorous turbulence under different buoyancy forcing conditions. The data measured in the presence of destabilizing surface forcing reveal three distinct frontal stability regimes: forced symmetric instability (SI) in a deep mixing layer region, inertial/symmetric instability (ISI) on the anticyclonic side of the front, and marginal shear instability on the cyclonic side. Dissipation rates in these regions agree quantitatively and qualitatively with recent numerical simulations of forced SI and ISI. For the first time, a dataset obtained under negligible net buoyancy forcing has revealed an unforced SI in the surface boundary layer, which is ignored in the current parameterizations. This differs from the thermocline region, where turbulence inside a thin mixing layer was driven by a cross-front inertial shear. Finally, a further dataset obtained in the presence of stabilizing buoyancy forcing reveals a complete shut-down of frontal instability, and that the turbulence is controlled by surface forcing. The observations in this thesis provide direct evidence for the relevance of forced/unforced SI, ISI, and marginal shear instability for overall energy dissipation in submesoscale fronts and filaments.
Theorie und numerische Simulationen legen nahe, dass submesoskalige Fronten und Filamente verschiedener Arten von Instabilitäten unterliegen, was einen potenziell wichtigen Weg für den Transport und die Dissipation von mesoskaliger kinetischer Energie im Ozean darstellt. In dieser Arbeit wird die reale Ozeanrelevanz dieser neuen Konzepte diskutiert, die auf hochauflösenden Turbulenzmikrostruktur- und oberflächennahen Geschwindigkeitsdaten von transienten submesoskaligen Auftriebsfilamenten im Benguela-Auftriebssystem (Südostatlantik) basieren. Der Schwerpunkt dieser Studie liegt auf scharfen submesoskaligen Fronten am Rand des Filamente, die durch anhaltende Winde, einen starken Frontalstrahl und starke Turbulenzen unter verschiedenen Auftriebsbedingungen gekennzeichnet sind. Die in Gegenwart eines destabilisierenden Oberflächenantriebs gemessenen Daten zeigen drei unterschiedliche frontale Stabilitätsregime: erzwungene symmetrische Instabilität (SI) in einer tiefen, gut durchmischten Deckschicht und Trägheits/symmetrische Instabilität (ISI) auf der antizyklonalen Seite der Front und marginale Scherinstabilität auf der zyklonalen Seite. Die Dissipationsraten in diesen Regionen stimmen quantitativ und qualitativ mit numerischen Simulationen von SI und ISI überein. Der Datensatz, der unter vernachlässigbaren Auftriebsbedingugen aufgenommen wurde, zeigt zum ersten Mal eine ungezwungene SI in der Oberflächengrenzschicht, die bei der aktuellen Parametrisierungen ignoriert wird. Dies unterscheidet sich von dem Bereich der Thermokline, in dem Turbulenzen innerhalb einer dünnen Mischschicht durch Trägheitsscherung an der Vorderseite der Front angetrieben wurden. Schließlich zeigt ein weiterer Datensatz, der in Gegenwart eines stabilisierenden Auftriebsantriebs erhalten wurde, eine vollständige Abschaltung der frontalen Instabilität und dass die Turbulenz durch Oberflächenantrieb gesteuert wird. Die Beobachtungen in dieser Arbeit liefern direkte Belege für die Relevanz von erzwungener/ungezwungener SI, ISI und marginaler Scherinstabilität für die Gesamtenergiedissipation in submesoskaligen Fronten und Filamenten.