The Role of Ocean Heat Content on the Madden–Julian Oscillation

Abstract

Det overordnede målet med denne avhandlingen er å forstå hvilken rolle varmeinnholdet i den øvre delen av havet og havdynamikken rundt ekvator spiller for Madden-Julian svingningen (MJO). Mens havets respons til atmosfæren på tidsskalaer kortere enn en sesong har vært gjenstand for omfattende studier, har påvirkningen av havets varmeinnhold på MJO ikke vært systematisk undersøkt. Nylig har det blitt forsket på samspillet mellom havdynamikk, varmeinnhold i havet og MJO i Indiahavet. I Indiahavet er synkronisering mellom bølger i havet langs ekvator og MJO mulig, delvis på grunn av den romlige skalaen, forplantningshastigheten til ekvatoriale bølger og tidsskalaen til MJO-variabilitet. Det er i konteksten av å forstå variabilitet og samspill mellom MJO, dynamikken og varmeinnholdet i havet at resultatene i denne avhandlingen er basert. Dette undersøkes i en serie på tre artikler.

For å forstå variasjonen i varmeinnhold i forbindelse med MJO brukes et dynamisk og kinematisk konsistent estimat av havets tilstand, Estimating the Circulation and Climate of the Ocean (ECCO), i artikkel I. Et lukket varmebudsjett viser at horisontal adveksjon er den dominerende drivkraften bak variasjonen i varmeinnhold i den øvre delen av havet på tidsskalaer kortere enn en sesong. Fasesammensetninger av MJO viser at den horisontale adveksjonen som driver variasjoner i varmeinnhold i forbindelse med MJO er knyttet til kelvin- og rossbybølger i havet langs ekvator. Anomalier av varmeinnhold nord og sør for ekvator, delvis modulert av rossbybølger, forsterkes når MJO starter over Indiahavet i fase 2-3. Økningen i varmeinnhold som er modifisert av rossbybølger i havet ved starten av MJO hendelser indikerer synkronisering mellom rossbybølger og MJO i Indiahavet. Denne studien viser at havdynamikken knyttet til kelvin- og rossbybølger i havet dominerer i moduleringen av varmeinnholdet i øvre delen av havet på MJO-tidsskalaen. En lukket kvantifisering av det øvre havets varmebudsjett på tidsskalaer kortere enn en sesong for Indiahavet har ikke tidligere blitt utført ved hjelp av tilstandsestimater som er begrenset av observasjoner, og er et viktig bidrag fra denne studien.

Artikkel II undersøker hvordan varmeinnholdet i de øvre lagene av Indiahavet påvirker hvordan MJO forplanter seg forbi det maritime kontinentet. I denne studien brukes MJO-hendelser identifisert av Kerns and Chen (2020) ved hjelp av TRMM-nedbør til å undersøke effekten av varmeinnhold i Indiahavet på MJO. Positivt varmeinnhold forplanter seg vestover i Indiahavet før begynnelsen av MJO-hendelser. Dette varme vannet blir delvis modulert av rossbybølger som reflekteres ved den østlige grensen av Indiahavet. Noen dager før starten av propagerende MJO-hendelser forsterkes de varme anomaliene lokalt når de synkroniseres med MJO. Før MJO-hendelser som ikke propagerer, er derimot de varme anomaliene som forplanter seg vestover, relativt sett, mindre signifikante. Synkroniseringen mellom rossbybølger og MJO, ved modifikasjoner av varmeinnhold i øvre deler av Indiahavet, bidrar til propageringen av MJO forbi det maritime kontinentet.

Til slutt undersøkes havdynamikkens tilbakekobling til MJO i den koblede norske jordsystemmodellen versjon 2 (NorESM2) i artikkel III. Horisontale strømmer basert på MJO-fasekompositter avledet fra ECCOs havtilstandsestimat introduseres i en gjentagende syklus i NorESM2. Denne gjentatte syklusen med sterke havstrømmer assosiert med MJO, som i stor grad er relatert til havdynamikk, brukes til å forstå tilbakekoblingen av MJO-styrt havdynamikk på modellens MJO-lignende variabilitet. Tilbakekoblingen fra MJO-assosierte havstrømmer forbedrer representasjonen av den sonale vinden (U850) i lavere deler av troposfæren assosiert med modellens MJO. Men den iboende MJO variabiliteten i modellen forblir lik i eksperimenter med og uten disse havstrømmene. Dette resultatet tyder på at tilbakekoblingen fra havdynamikk kan være viktig for MJO i NorESM2. På grunn av begrensninger i eksperimentoppsettet, anbefaler vi flere eksperimenter i fremtiden for å vurdere virkningen av havdynamikken i Indiahavet på MJO.

Denne avhandlingen undersøker samspillet mellom havdynamikk, varmeinnholdet i havet og MJO. Jeg finner at varmeinnhold i øvre del av havet er sterkt modulert av havdynamikken rundt ekvator og at det kan bidra til at MJO propagerer forbi det maritime kontinentet, noe som kan forbedre forutsigbarheten i fenomener knyttet til MJO. Dynamikken i Indiahavet viser seg å ikke være viktig for iboende MJO variabilitet i NorESM2, men jeg foreslår noen konkrete modifikasjoner i modelleksperimentet for fremtidig forskning. Samlet sett bidrar disse resultatene til vår forståelse av havets respons og tilbakekobling til atmosfæren og gir ytterligere støtte til den potensielt viktige rollen som den øvre delen av havet ved ekvator spiller for MJO.

The overall goal of this dissertation is to understand the role of upper ocean heat content (OHC) and equatorial ocean dynamics on the Madden-Julian Oscillation (MJO). While the response of the ocean to atmospheric forcing on intraseasonal timescales has been studied extensively, the feedback of OHC on the MJO has not been systematically investigated. Recently, a new line of research has emerged that highlights the interaction between ocean dynamics, OHC, and the MJO in the Indian Ocean (IO) basin. In the IO, synchronization between oceanic equatorial waves and the MJO is possible because of the basin-scale, the propagation speed of oceanic equatorial waves, and the timescale of MJO variability. In a series of three papers, this thesis aims to contribute to understanding the variability and interactions between the MJO, equatorial ocean dynamics, and OHC in the IO basin.

To understand the variability of upper OHC associated with the MJO, a dynamically and kinematically consistent ocean state estimate, Estimating the Circulation and Climate of the Ocean (ECCO), is used in Paper I. A closed heat budget reveals horizontal advection as the dominant driver of intraseasonal upper OHC variability. Phase composites of the MJO show that the horizontal advection driving OHC variations associated with the MJO are connected to oceanic equatorial Kelvin and Rossby waves. Off-equatorial OHC anomalies, partly modulated by Rossby waves, are enhanced as the MJO is initiated over the central IO during phases 2 – 3. The occurrence of enhanced off-equatorial upper OHC modulated largely by oceanic Rossby waves during the convective onset of MJO events indicates potential synchronization between oceanic Rossby waves and the MJO in the IO basin. This study highlights the dominance of ocean dynamics connected to oceanic equatorial Kelvin and Rossby waves in modulating the upper OHC on MJO timescales in the IO basin. A closed quantification of upper ocean heat budget terms on intraseasonal timescales for the IO basin had not previously been carried out using state estimates constrained by observations and is an important contribution of this study.

Paper II examines the influence of IO upper OHC on MJO propagation past the Maritime Continent (MC). In this study, MJO events identified by Kerns and Chen (2020) using TRMM precipitation are used to investigate the effect of IO basin upper OHC on the MJO. Warm OHC anomalies are observed to propagate westward in the IO basin prior to the onset of propagating MJO events. These westward-propagating warm OHC anomalies are partly modulated by Rossby waves reflected at the eastern IO boundary. A few days before the onset of propagating MJO events, the warm OHC anomalies are locally enhanced as they synchronize with the MJO. On the contrary, before the onset of non-propagating MJO events, the Rossby wave modulated westward propagating warm OHC anomalies are comparatively less significant. Synchronization between oceanic Rossby waves with the MJO, through modulation of upper OHC in the IO, contributes to MJO propagation across the MC.

Finally, the feedback of ocean dynamics to the MJO is investigated in the fully coupled Norwegian Earth System Model version 2 (NorESM2) in Paper III. Anomalous intraseasonal horizontal currents based on MJO phase composites derived from the ECCO ocean state estimate are introduced in a repeating cycle in NorESM2 by nudging. This repeating cycle of strong MJO-associated ocean currents, largely related to equatorial ocean dynamics, is used to understand the feedback of MJO-forced ocean dynamics on the model MJO-like variability. The feedback of MJO-associated ocean currents improves the representation of the lower-level zonal wind (U850) associated with the model MJO. However, the intrinsic MJO variability remains similar in experiments with and without intraseasonal ocean currents. This result suggests that the feedback of ocean dynamics in the IO may not be important for the MJO in NorESM2. Due to the limitations of our model experiments, we recommend improved experiments for future research to assess the impact of IO basin ocean dynamics on the MJO.

This dissertation examines the interaction between ocean dynamics, OHC, and the MJO. I find that upper OHC is strongly modulated by equatorial ocean dynamics, and its enhancement can contribute to the propagation of the MJO across the Maritime Continent, with implications for improving MJO-related predictability. IO basin ocean dynamics is not found to be important for the intrinsic MJO variability in NorESM2. However, with some limitations in the experiment nudging parameters, I offer suggestions for an improved experiment for future research. Taken together, these results contribute to our understanding of the ocean's response and feedback to the atmosphere and further motivate the potentially important role of the equatorial upper ocean for the MJO.