Observational evidence for atmospheric modulation of the Loop Current migrations

Abstract

Recent modeling studies on the shedding of Loop Current rings suggest that the intensification of the dominant zonal wind field delays the detachment of rings and affects the Loop Current migrations. The atmospheric modulation of the Loop Current migrations is analyzed here using reanalysis winds and altimetry-derived observations. A newly developed methodology is applied to locate the Loop Current front, and a wavelet-based semblance analysis is used to explore correlations with atmospheric forcing. The results show that weakening (intensification) of the zonal wind stress in the eastern Gulf of Mexico is related with the Loop Current excursions to the north (south). Semblance analyses confirm negative correlations between the zonal wind stress and the Loop Current migrations during the past 20 years. The intrusions of the Loop Current might involve an increase of the Yucatan Transport, which would balance the westward Rossby wave speed of a growing loop and delay the ring shedding. The results of this study have consequences for the interpretation of the chaotic processes of ring detachment and Loop Current intrusions, which might be modulated by wind stress.

Keywords

Loop Current / wind stress / wavelet analysis / altimetry / air-sea interactions / Gulf of Mexico

References

[1] Alvera-Azcárate A, Barth A, Weisberg R H (2009). The surface circulation of the Caribbean Sea and the Gulf of Mexico as inferred from satellite altimetry. J Phys Oceanogr, 39(3): 640–657

[2] Bunge L, Ochoa J, Badan A, Candela J, Sheinbaum J (2002). Deep flows in the Yucatan Channel and their relation to changes in the Loop Current extension. J Geophys Res, 107(C12): 3233

[3] Candela J, Tanahara S, Crepon M, Barnier B, Sheinbaum J (2003). Yucatan Channel flow: observations versus CLIPPER ATL6 and MERCATOR PAM models. J Geophys Res, 108(C12): 3385

[4] Cardona Y, Bracco A (2014). Predictability of mesoscale circulation throughout the water column in the Gulf of Mexico. Deep Sea Res Part II Top Stud Oceanogr, doi: 10.1016/j.dsr2.2014.01.008

[5] Chang Y L, Oey L Y (2010). Why can wind delay the shedding of Loop Current eddies? J Phys Oceanogr, 40(11): 2481–2495

[6] Chang Y L, Oey L Y (2011). Loop Current cycle: coupled response of the Loop Current with deep flows. J Phys Oceanogr, 41(3): 458–471

[7] Chang Y L, Oey L Y (2012). Why does the Loop Current tend to shed more eddies in summer and winter? Geophys Res Lett, 39(5): n/a doi: 10.1029/2011GL050773

[8] Chang Y L, Oey L Y (2013a). Loop Current growth and eddy shedding using models and observations: numerical process experiments and satellite altimetry data. J Phys Oceanogr, 43(3): 669–689

[9] Chang Y L, Oey L Y (2013b). Coupled response of the trade wind, SST gradient, and SST in the Caribbean Sea. J Phys Oceanogr, 43(7): 1325–1344

[10] Chérubin L M, Sturges W, Chassignet E P (2005). Deep flow variability in the vicinity of the Yucatan Straits from a high-resolution numerical simulation. J Geophys Res, 110(C4): C04009

[11] Cho K, Reid R O, Nowlin W D Jr (1998). Objectively mapped stream function fields on the Texas-Louisiana shelf based on 32 months of moored current meter data. J Geophys Res, 103(C5): 10377–10390

[12] Clancy R M (1992). Operational modeling: ocean modeling at the Fleet Numerical Oceanography Center. Oceanography (Wash DC), 5(1): 31–35

[13] Cooper G R J, Cowan D R (2008). Comparing time series using wavelet-based semblance analysis. Comput Geosci, 34(2): 95–102

[14] Cunningham S A, Kanzow T, Rayner D, Baringer M O, Johns W E, Marotzke J, Longworth H R, Grant E M, Hirschi J J M, Beal L, Meinen C S, Bryden H L (2007). Temporal variability of the Atlantic meridional overturning circulation at 26.5 N. Science, 317(5840): 935–938

[15] DeHaan C J, Sturges W (2005). Deep cyclonic circulation in the Gulf of Mexico. J Phys Oceanogr, 35(10): 1801–1812

[16] Ezer T, Oey L Y, Lee H C, Sturges W (2003). The variability of currents in the Yucatan Channel: analysis of results from a numerical ocean model. J Geophys Res, 108(C1): 3012

[17] Fratantoni P S, Lee T N, Podesta G P, Muller-Karger F (1998). The influence of Loop Current perturbations on the formation and evolution of Tortugas eddies in the southern Straits of Florida. J Geophys Res, 103(C11): 24759

[18] Herring J H (2010). Gulf of Mexico hydrographic climatology and method of synthesizing subsurface profiles from the satellite sea surface height anomaly. US. Department of Commerce, National Oceanic and Atmospheric Administration. National Ocean Service, Coastal Survey Development Laboratory. Report 122. 63 pp

[19] Hurlburt H, Thompson J D (1980). A Numerical Study of Loop Current Intrusions and Eddy Shedding. J Phys Oceanogr, 10(10): 1611–1651

[20] Le Hénaff M, Kourafalou V H, Morel Y, Srinivasan A (2012). Simulating the dynamics and intensification of cyclonic Loop Current Frontal Eddies in the Gulf of Mexico. J Geophys Res, 117(C2): C02034

[21] Lee H C, Mellor G L (2003). Numerical simulation of the Gulf Stream System: the Loop Current and the deep circulation. J Geophys Res, 108(C2): 3043

[22] Lin Y, Greatbatch R J, Sheng J (2009). A model study of the vertically integrated transport variability through the Yucatan Channel: role of Loop Current evolution and flow compensation around Cuba. J Geophys Res, 114(C8): C08003

[23] Lindo-Atichati D, Bringas F, Goni G (2013). Loop Current excursions and ring detachments during 1993–2009. Int J Remote Sens, 34(14): 5042–5053

[24] Lindo-Atichati D, Bringas F, Goni G, Muhling B, Muller-Karger F E, Habtes S (2012). Varying mesoscale structures influence larval fish distribution in the northern gulf of Mexico. Mar Ecol Prog Ser, 463: 245–257

[25] Maul G A, Mayer D A, Baig S R (1985). Comparisons between a continuous 3-year current-meter observation at the sill of the Yucatan Strait, satellite measurements of Gulf Loop Current area, and regional sea level. J Geophys Res, 90(C5): 9089–9096

[26] Muller-Karger F E, Smith J P, Werner S, Chen R, Roffer M, Liu Y, Muhling B A, Lindo-Atichati D, Lamkin J, Cerdeira-Estrada S, Enfield D B (2014). Natural variability of surface oceanographic conditions in the offshore Gulf of Mexico. Prog Oceanogr, 134: 54–76

[27] Müller-Karger F E, Walsh J J, Evans R H, Meyers M B (1991). On the seasonal phytoplankton concentration and sea surface temperature cycles of the Gulf of Mexico as determined by satellites. J Geophys Res, 96(C7): 12645–12665

[28] Muñoz E, Busalacchi A J, Nigam S, Ruiz-Barradas A (2008). Winter and summer structure of the Caribbean low-level jet. J Clim, 21(6): 1260–1276

[29] Nedbor-Gross R, Dukhovskoy D S, Bourassa M A, Morey S M, Chassignet E P (2014). Investigation of the relationship between the Yucatan Channel transport and the Loop Current area in a multidecadal numerical simulation. Mar Technol Soc J, 48(4): 15–26

[30] Nof D (2005). The momentum imbalance paradox revisited. J Phys Oceanogr, 35(10): 1928–1939

[31] Nowlin W D, Jochens A E, DiMarco S F, Reid R O (2000). Physical oceanography. Deepwater Gulf of Mexico environmental and socioeconomic data search and synthesis, Narrative Report, OCS Study MMS 2000-049,Gulf of Mexico OCS Regional Office, Minerals Management Service, U.S. Department of the Interior 1, 60

[32] Nowlin W D, Jochens A E, Reid R O, DiMarco S F (1998). Texas-Louisiana Shelf Circulation and Transport Processes Study: Synthesis Report. Volume I: Technical Report. OCS Study MIMS 98-0035, U.S. Department of the Interior, Minerals Management Service, Gulf of Mexico OCS Region, 502 pp

[33] Oey L Y (1996). Simulation of mesoscale variability in the Gulf of Mexico: sensitivity studies, comparison with observations, and trapped wave propagation. J Phys Oceanogr, 26(2): 145–175

[34] Oey L Y (2004). Vorticity flux through the Yucatan Channel and Loop Current variability in the Gulf of Mexico. J Geophys Res, 109(C10): C10004

[35] Pichevin T, Nof D (1997). The momentum imbalance paradox. Tellus, Ser A, Dyn Meterol Oceanogr, 49(2): 298–319

[36] Poveda G, Waylen P R, Pulwarty R S (2006). Annual and inter-annual variability of the present climate in northern South America and southern Mesoamerica. Palaeogeogr Palaeoclimatol Palaeoecol, 234(1): 3–27

[37] Smith R H, Johns E M, Goni G J, Trinanes J, Lumpkin R, Wood A M, Kelble C R, Cummings S R, Lamkin J T, Privoznik S (2014). Oceanographic conditions in the Gulf of Mexico in July 2010, during the Deepwater Horizon oil spill. Cont Shelf Res, 77: 118–131

[38] Sturges W, Evans J C, Welsh S, Holland W (1993). Separation of warm-core rings in the Gulf of Mexico. J Phys Oceanogr, 23(2): 250–268

[39] Tomczak M, Godfrey J S (2003). Regional Oceanography: An Introduction. Oxford: Pergamon

[40] Vidal V M V, Vidal F V, Hernández A F, Meza E, Zambrano L (1994). Winter water mass distributions in the western Gulf of Mexico affected by a colliding anticyclonic ring. J Oceanogr, 50(5): 559–588

[41] Walker N D, Wiseman W J Jr, Rouse L J Jr, Babin A (2005). Effects of river discharge, wind stress, and slope eddies on circulation and the satellite-observed structure of the Mississippi River plume. J Coast Res, 216(6): 1228–1244

[42] Wang C (2007). Variability of the Caribbean low-level jet and its relations to climate. Clim Dyn, 29(4): 411–422

[43] Wang C, Lee S (2007). Atlantic warm pool, Caribbean low-level jet, and their potential impact on Atlantic hurricanes. Geophys Res Lett, 34(2):L0 2703

[44] Xu F H, Chang Y L, Oey L Y, Hamilton P (2013). Loop Current growth and eddy shedding using models and observations: analyses of the July 2011 Eddy-Shedding Event*. J Phys Oceanogr, 43(5): 1015–1027

[45] Zavala-Hidalgo J, Morey S L, O’Brien J J, Zambudio L (2006). On the Loop Current eddy shedding variability. Atmosfera, 19(001): 8

[46] Zavala-Hidalgo J, Morey S L, O'Brien J J (2003). Seasonal circulation on the western shelf of the Gulf of Mexico using a high-resolution numerical model. J Geophys Res, 108(C12): 3389

Acknowledgements

The altimeter products were produced by Ssalto/Duacs (Segment sol multimissions d’Altimétrie, d’Orbitographie et de localisation précise/Developing Use of Altimetry for Climate Studies) and distributed by AVISO, with support from Centre National d’Etudes Spatiales (CNES). The authors are grateful to Lie-Yauw Oey from Princeton University and two anonymous reviewers for providing suggestions and comments that have improved the article. This work was supported by NOAA/AOML.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg