Global expressions for seasonal temperatures of the sea surface and ambient air - The influence of tidal currents and water depth

A 'single point' coupled ocean-atmosphere model is formulated to study seasonal temperature cycles with particular application to shelf seas. The simplified atmospheric module is consistent with the physical processes described by Gill [4] while the vertical exchange of heat in the ocean module is determined via a turbulence closure model. The various empirical coefficients in the atmospheric module were determined by fitting the model output to North Atlantic observational data over the latitude range 0 degrees to 65 degrees N. The model is then applied to the shallow, strongly tidal North Sea. The general validity of the model is demonstrated, thereby indicating that the seasonal cycles of the sea surface, T-s, and ambient air, T-a, are generally governed by a localised equilibrium. In shallow water (< 200 m) the amplitude of this seasonal cycle is modulated by both the water depth and tidal current amplitude. North Sea observational data confirm these model indications that large tidal currents decrease seasonal amplitudes. This study provides, for the first time, a quantitative estimate of this influence of shallow seas on adjacent coastal climates. It is shown how the model results can be sensibly approximated by generalised expressions - illustrating that mean values of both T-s and T-a vary with the cosine of latitude (up to 65 degrees N) while their seasonal amplitudes vary directly with latitude and inversely with an exponent of water depth. Thus these generalised expressions can be conveniently used to provide boundary conditions in generalised ecological models. The model can also be used for (small amplitude) sensitivity analyses to examine, for example, the effect of changes in storminess or cloud cover.

Un modèle couplé océan-atmosphère est proposé pour simuler les cycles annuels des températures, en particulier dans les mers bordières. Le module atmosphérique simple est en accord avec les phénomènes physiques décrit par Gill [4] tandis que, dans le module océanique, le transfert thermique vertical est déterminé par un modèle turbulent de fermeture. Les coefficients empiriques du module atmosphérique sont déterminés par ajustement aux données collectées dans le nord de l'Atlantique, entre 0° et 65° N de latitude. Le modèle est ensuite appliqué à une mer peu profonde et soumise à de fortes marées, la mer du Nord. La validité générale du modèle étant démontrée, les cycles saisonniers de la température superficielle de l'eau Ts et de celle de l'air ambiant Ta sont généralement déterminés par un équilibre local. Par mer peu profonde (moins de 200 m) l'amplitude du cycle saisonnier est modulée à la fois par la profondeur d'eau et par l'amplitude du courant de marée. Les observations en mer du Nord, confirmant les résultats du modèle, indiquent que les forts courants de marée atténuent l'amplitude des variations saisonnières. Le présent travail est le premier à donner une estimation quantitative de l'effet des mers peu profondes sur le climat des régions côtières voisines. Les résultats du modèle peuvent être approchés par des expressions généralisées montrant que les valeurs moyennes des températures Ts et Ta sont proportionnelles au cosinus de la latitude (jusqu'à 65° N) tandis que l'amplitude de leurs variations saisonnières est directement proportionnelle à la latitude et fonction inverse d'une puissance de la profondeur d'eau. Ces expressions générales peuvent fournir les conditions aux limites dans des modèles écologiques globaux. Le modèle peut également être utilisé dans les analyses de sensibilité (petites amplitudes) pour examiner par exemple l'effet des conditions orageuses, de la nébulosité, etc.