Seasonal variation of the global mixed layer depth: comparison between Argo data and FIO-ESM

Abstract

The present study evaluates a simulation of the global ocean mixed layer depth (MLD) using the First Institute of Oceanography-Earth System Model (FIO-ESM). The seasonal variation of the global MLD from the FIO-ESM simulation is compared to Argo observational data. The Argo data show that the global ocean MLD has a strong seasonal variation with a deep MLD in winter and a shallow MLD in summer, while the spring and fall seasons act as transitional periods. Overall, the FIO-ESM simulation accurately captures the seasonal variation in MLD in most areas. It exhibits a better performance during summer and fall than during winter and spring. The simulated MLD in the Southern Hemisphere is much closer to observations than that in the Northern Hemisphere. In general, the simulated MLD over the South Atlantic Ocean matches the observation best among the six areas. Additionally, the model slightly underestimates the MLD in parts of the North Atlantic Ocean, and slightly overestimates the MLD over the other ocean basins.

Keywords

mixed layer depth / FIO-ESM model / seasonal variation

References

[1] Alexander M A,  Timlin M S,  Scott J D (2001). Winter-to-winter recurrence of sea surface temperature, salinity and mixed layer depth anomalies. Prog Oceanogr, 49(1‒4): 41–61

[2] An Y Z, Zhang  R, Wang H Z (2012). Study on calculation and spatio-temporal variations of global ocean mixed layer depth. Chin J Geophys, 55(7): 2249–2258 (in Chinese)

[3] Collins W D, Rasch  P J, Boville  B A (2004). Description of the NCAR Community Atmosphere Model (CAM3.0). National Center for Atmospheric Research, tn-464+str: tn-485+str

[4] de Boyer Montégut C,  Gurvan M,  Fischer A S (2004). Mixed layer depth over the global ocean: an examination of profile data and a profile-based climatology. Journal of Geophysical Research: Oceans, 109(C12): C12003

[5] Deser C, Alexander  M A, Timlin  M S (1996). Upper-ocean thermal variations in the North Pacific during 1970‒1991. J Clim, 9(8): 1840–1855

[6] Ezer (2000). On the seasonal mixed layer simulated by a basin-scale ocean model and the Mellor Yamada turbulence scheme. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 105(C7): 16843–16856

[7] Holte J, Talley  L (2009). A new algorithm for finding mixed layer depths with applications to Argo data and subantarctic mode water formation. J Atmos Ocean Technol, 26(9): 1920–1939

[8] Huang C J, Qiao  F L, Dai  D (2014). Evaluating CMIP5 simulations of mixed layer depth during summer. Journal of Geophysical Research: Oceans, 119(4): 2568–2582

[9] Huang C J, Qiao  F L, Shu  Q, Song Z (2012). Evaluating austral summer mixed-layer response to surface wave-induced mixing in the Southern Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans, 117(C11): 24–33

[10] Huang C J, Qiao  F L, Song  Z Y (2008). The effect of the wave-induced mixing on the upper ocean temperature in a climate model. Acta Oceanol Sin, 27(3): 104–111

[11] Kantha L H, Clayson  C A (1994). An improved mixed layer model for geophysical applications. Journal of Geophysical Research: Oceans, C12(99): 25235–25266

[12] Kara A B, Rochford  P A, Hurlburt  H E (2000). An optimal definition for ocean mixed layer depth. J Geophys Res, D, Atmospheres, 105(C7): 16803–16821

[13] Kara A B, Rochford  P A, Hurlburt  H E (2003). Mixed layer depth variability over the global ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans, 108(C3): 3079

[14] Kelly K A, Qiu  B (1995). Heat flux estimates for the Western North Atlantic. Part I: Assimilation of satellite data into a mixed layer model. J Phys Oceanogr, 25(10): 2344–2360

[15] Kolodziejczyk N, Reverdin  G, Lazar A (2015). Interannual variability of the mixed layer winter convection and spice injection in the eastern subtropical North Atlantic. J Phys Oceanogr, 45(2): 504–525

[16] Lu J, Qiao  F L, Wei  Z X (2008). Study on distributions of mixed layer depth in the world ocean in summer—Comparison between Argo data and Levitus data. Advanced in Marine Science, 26(2): 145–155 (in Chinese)

[17] Martin P J (1985). Simulation of the mixed layer at OWS November and Papa with several models. Journal of Geophysical Research: Oceans, 90(C1): 903–916

[18] Noh Y, Lee  W S (2008). Mixed and mixing layer depths simulated by an OGCM. J Oceanogr, 64(2): 217–225

[19] Ohno Y, Iwasaka  N, Kobashi F,  Sato Y (2009). Mixed layer depth climatology of the North Pacific based on Argo observations. J Oceanogr, 65(1): 1–16

[20] Oleson K, Niu  G, Yang Z (2008). Improvements to the Community Land Model and their impact on the hydrological cycle. J Geophys Res, D, Atmospheres, 113(113): 811–827

[21] Perry A H, Walker  J M (1977). The Ocean-Atmosphere System. New York: Long-man Inc, 1–160

[22] Prasad T G (2004). A comparison of mixed-layer dynamics between the Arabian Sea and Bay of Bengal: one-dimensional model results. J Geophys Res, D, Atmospheres, 109(C3): 325–347

[23] Price J F, Weller  R A, Pinkel  R (1986). Diurnal cycling: observations and models of the upper ocean response to diurnal heating, cooling, and wind mixing. Journal of Geophysical Research: Oceans, 91(C7): 8411–8427

[24] Qiao F L, Huang  C J (2012). Comparison between vertical shear mixing and surface wave-induced mixing in the extratropical ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans, 117(C11): C00J16

[25] Qiao F L, Song  Z Y, Bao  Y (2013). Development and evaluation of an Earth System Model with surface gravity waves. Journal of Geophysical Research: Oceans, 118(9): 4514–4524

[26] Qiao F L, Yang  Y, Xia C (2008). The role of surface waves in the ocean mixed layer. Marine Journal: English edition, 18(3): 30–37

[27] Qiao F, Yuan  Y, Yang Y,  Zheng Q,  Xia C, Ma  J (2004). Wave-induced mixing in the upper ocean: distribution and application to a global ocean circulation model. Geophys Res Lett, 31(11): 293–317 

[28] Shu Q, Qiao  F L, Song  Z Y (2013). The hindcast and forcast of Arctic sea ice from FIO-ESM. Acta Oceanol Sin, 35(5): 37–45

[29] Smith R, Jones  P, Briegleb B (2010). The Parallel Ocean Program (POP) reference manual. Los Alamos National Laboratory, LAUR-10-01853

[30] Song Z Y, Qiao  F L, Wang  C (2011). The correctness to the spuriously simulated semi-annual cycle of the sea surface temperature in the equatorial eastern Pacific. Sci China Earth Sci, 54(3): 438–444

[31] Song Z Y, Qiao  F L, Yang  Y Z (2007). An improvement of the too cold tongue in the tropical Pacific with the development of an ocean-wave-atmosphere coupled numerical model. Prog Nat Sci, 17(5): 576–583

[32] Sprintall J, Roemmich  D (1999). Characterizing the structure of the surface layer in the Pacific Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans, 104(C10): 23297–23311

[33] Sprintall J, Tomczak  M (1992). Evidence of the barrier layer in the surface layer of the tropics. J Geophys Res, D, Atmospheres, 97(C5): 7305–7316

[34] Thomson R E, Fine  I V (2010). Estimating mixed layer depth from oceanic profile data. J Atmos Ocean Technol, 20(20): 319–329

[35] Yang Y Z, Qiao  F L, Zhao  W (2005). MASNUM ocean wave numerical model in spherical coordinates and its application. Acta Oceanol Sin, 27(2): 1–7

Acknowledgements

The present study was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 41476022 and 41490643), the Startup Foundation for Introducing Talent of Nanjing University of Information Science and Technology (2013r121, 2014r072), the Program for Innovation Research and Entrepreneurship team in Jiangsu Province, and the National Programme on Global Change and Air-Sea Interaction (No. GASI-03-IPOVAI-05). Appreciation is extended to the anonymous reviewers and the editors for their valuable comments.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg