Vertical and horizontal mixing processes in the ocean mixed layer determine sea surface temperature and temperature variability. Accordingly, simulating these processes properly is crucial in order to obtain more accurate climate simulations and more reliable future projections using an ocean general circulation model (OGCM). In this study, by using Modular Ocean Model version 4 (MOM4) developed by Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, the upper ocean temperature and mixed layer depth were simulated with two different vertical mixing schemes that are most widely used and then compared. The resultant differences were analyzed to understand the underlying mechanism, especially in the Tropical Pacific Ocean where the differences appeared to be the greatest. One of the schemes was the so-called KPP scheme that uses K-Profile parameterization with nonlocal vertical mixing and the other was the N scheme that was rather recently developed based on a second-order turbulence closure. In the equatorial Pacific, the N scheme simulates the mixed layer at a deeper level than the KPP scheme. One of the reasons is that the total vertical diffusivity coefficient simulated with the N scheme is ten times larger, at maximum, in the surface layer compared to the KPP scheme. Another reason is that the zonal current simulated with the N scheme peaks at a deeper ocean level than the KPP scheme, which indicates that the vertical shear was simulated on a larger scale by the N scheme and it enhanced the mixed layer depth. It is notable that while the N scheme simulates a deeper mixed layer in the equatorial Pacific compared to the KPP scheme, the sea surface temperature (SST) simulated with the N scheme was cooler in the central Pacific and warmer in the eastern Pacific. We postulated that the reason for this is that in the central Pacific atmospheric forcing plays an important role in determining SST and so does a strong upwelling in the eastern Pacific. In conclusion, what determines SST is crucial in interpreting the relationship between SST and mixed layer depth.
이 연구는 한국-중국 북부 지역($35^{\circ}-40^{\circ}N$, $110^{\circ}-130^{\circ}E$)에서 영역평균 된 여름(6-8월) 강수량의 증가경향이 1990년대 후반에 뚜렷하게 나타났음을 분석하였다. 따라서 한국-중국 북부지역에서 1998년 이후에 여름 강수량이 증가한 원인을 알아보기 위해 1998-2012년 평균과 1981-1997년 평균 사이에 종관환경에 대한 차를 분석하였다. 850 hPa 유선분석에서는 북태평양 지역과 호주 동쪽지역에서 거대한 고기압성 순환 아노말리가 강화되었다. 양반구에서 이러한 순환 아노말리에 의해 적도 중태평양으로부터 열대 서태평양에 편동풍 아노말리(무역풍 아노말리)가 강화되었다. 이는 라니냐 해에 나타나는 순환 패턴의 아노말리였다. 200 hPa 유선에서는 남 북태평양 모두에서 거대한 저기압성 순환 아노말리가 역시 강화되었다. 이러한 두 순환 아노말리에 의해 적도 중태평양 및 서태평양에서는 서풍의 아노말리가 강화되었다. 이는 1990년대 후반 이후 한국-중국 북부 지역에서 여름 강수량의 증가가 라니냐 패턴과 연관되었으며, 이 결과는 결국 워커 순환의 강화로 이어졌다. 또한 최근 동아시아 지역에서는 적도 서태평양과 동아시아 중위도 지역에서 상승한 기류가 아열대 서태평양지역에서 하강하는 지역 해들리 순환이 강화되었다.
We determined potential meso-scale benthic-pelagic ecosystem coupling in the north equatorial Pacific by comparing surface chl-a concentration with sediment bacterial abundance and adenosine triphosphate (ATP) concentration (indication of active biomass). Water and sediment samples were latitudinally collected between 5 and $11^{\circ}N$ along $131.5^{\circ}W$. Physical water properties of this area are characterized with three major currents: North Equatorial Current (NEC), North Equatorial Count Current (NECC), and South Equatorial Current (SEC). The divergence and convergence of the surface water occur at the boundaries where these currents anti-flow. This low latitude area ($5{\sim}7^{\circ}N$) appears to show high pelagic productivity (mean phytoplankton biomass=$1266.0\;mgC\;m^{-2}$) due to the supplement of high nutrients from nutrient-enriched deep-water via vertical mixing. But the high latitude area ($9{\sim}11^{\circ}N$) with the strong stratification exhibits low surface productivity (mean phytoplankton biomass=$603.1\;mgC\;m^{-2}$). Bacterial cell number (BCN) and ATP appeared to be the highest at the superficial layer and reduced with depth of sediment. Latitudinally, sediment BCN from low latitude ($5{\sim}7^{\circ}N$) was $9.8{\times}10^8\;cells\;cm^{-2}$, which appeared to be 3-times higher than that from high latitude ($9{\sim}11^{\circ}N$; $2.9{\times}10^8\;cells\;cm^{-2}$). Furthermore, sedimentary ATP at the low latitude ($56.2\;ng\;cm^{-2}$) appeared to be much higher than that of the high latitude ($3.3\;ng\;cm^{-2}$). According to regression analysis of these data, more than 85% of the spatial variation of benthic microbial biomass was significantly explained by the phytoplankton biomass in surface water. Therefore, the results of this study suggest that benthic productivity in this area is strongly coupled with pelagic productivity.
In order to reveal the vertical variation of physical properties in deep-sea sediments, deep-sea sediment cores were collected at 78 stations using a multiple corer in the KR5 area, one of the Korea contract areas for manganese nodule exploration, located in the northeast equatorial Pacific. Based on the color of sediments, sampled sediment cores were characterized into three lithologic units (unit 1,2, and 3). In all sediment cores, three units appear systematically; unit 1 lies at the top of cores and unit 2 and/or unit 3 appear to underlie unit 1 or alternate with unit 3. Unit 1 layer from the top of cores shows dark grayish brown to dark brown with mean thickness of 10.2cm. Unit 2 and 3 layers show very dark brown to black color and yellowish brown to brown color, respectively. According to the physical properties of the deep-sea sediment cores, sediment column can be divided into three sections. Section A $(0{\sim}15cm)$ in subbottom depth consists mostly of unit 1. Mean values of physical properties of section B $(15{\sim}30cm)$ in subbottom depth are similar to those of section C (>30 cm) in subbottom depth. However, the physical properties of section B were more variable than those of section C because of the high activity of bioturbation in section B. These results will provide valuable information for selecting suitable sites for mining manganese nodules in the Korea contract areas.
A time-series sediment trap was operated at a water depth of 4950 m from July 2003 to May 2004 at KOMO station ($10^{\circ}30^{\prime}N$, $131^{\circ}20^{\prime}W$) in the northeastern equatorial Pacific, with the aim of understanding the temporal variation of planktonic foraminifera assemblages in response to the seasonal shift of Inter-Tropical Convergence Zone (ITCZ). A total of 22130 planktonic foraminifera specimens belonging to 30 species and 11 genera were identified, which shows a distinct seasonal variation with high values (125~288 specimens $m^{-2}day^{-1}$) in the winter to spring (December-May) and low values (16~23 specimens $m^{-2}day^{-1}$) in the fall (September-November). In addition, seasonal ecological differences of foraminifera assemblages are distinctly recognizable: omnivorous foraminifera occurred predominantly during the summer season, whereas herbivorous ones were dominant during the winter season. Such seasonal variations correspond to the seasonal shift of the ITCZ. Enhanced occurrence of herbivorous species during the winter-spring season seems a result of surface water mixing generated by the southward shift of the ITCZ. The increase in omnivorous species during the summer season may be due to the northward movement of the ITCZ caused by weakened wind speed, resulting in the intensification of water column stratification and nutrient-poor environment. A significant reduction of planktonic foraminifera specimens during the fall is attributed to heavy precipitation and reduction in light intensity.
Korea contract Mn-nodule field in the NE equatorial Pacific is composed of seven sectors with average water depths of 4,513-5,025 m. Of the various factors controlling the properties of Mn-nodule, it seems that water depth is likely connected to the chemical composition and occurrence of nodules. To test whether such an assumption held in each sector, we reviewed previous research data accumulated since 1994 for one of the northern sectors (hereafter KR1) where there are stark contrasts in water depth. High-resolution seabed mapping clearly separates a northern part (KR1N) from a deeper southern part (KR1S), cutting across in the middle of the KR1. In addition, significant volcanic activities forming numerous seamounts are distinctive especially in KR1N. In terms of nodule occurrence, manganese nodules in KR1S are comparatively larger (2-4 cm) with a discoidal shape, while those in KR1N are generally small (<2 cm) with poly-lobate and irregular shapes. Nodules in KR1N also have lower Co, Cu, Mn and Ni, and higher Fe contents. The spatial separation in nodule characteristics might be caused by volcanic activities in KR1N rather than water depth contrast. During the formation of the seamounts in KR1N, rock fragments and volcanic ashes as new nuclei of the nodules would have been continuously generated. As a result, the nodules could not grow larger than 2 cm and display the shapes of a newbie (i.e., irregular and poly-lobate shapes). Moreover, significant Fe supply from volcanic activities probably decreases the Mn/Fe ratio, which may lead to the KR1 nodules being misinterpreted as a hydrogenic in origin compared to other sectors where a high Mn/Fe ratio is present.
The time-series of Walker circulation index (WCI) in this study shows the strengthening of the Walker circulation in recent years. To further understand the large-scale features related to the WCI strengthening, a difference between the averaged meteorological variables in two time periods 1999-2013 and 1984-1998 is analyzed. The difference in 850 hPa stream flows between the two periods shows that the anomalous easterlies (anomalous trade wind) are dominant due to the strengthening of anomalous anticyclonic circulations at the subtropical Pacific of both hemispheres. The difference between the averaged zonal atmospheric circulations over $5^oS-5^oN$ in the two periods confirms that upward flows are strengthened at the tropical western Pacific and downward flows are strengthened at the tropical central and eastern Pacific in recent years. It matches the WCI strengthening in recent years. The time-series of tropical cyclone (TC) genesis frequency from July to September shows that a mean TC genesis frequency from 1999-2013 decreases compared to that of the time period 1984-1998. The monsoon trough in the period 1984-1998 was located in the further east direction and stronger than that in the period 1999-2013. TCs in the recent period that are generated in further west than TCs in the past period moved from the west. Thus, the TC intensity along the coasts in East Asia becomes weaker in recent period. The intensification of Walker circulation in recent years is related to the weaker TC intensity in East Asia through strengthened anomalous anticyclones at the subtropical western Pacific.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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