Flow patterns in the Northwest African upwelling area

Summary

From February to May 1974 a coastal upwelling experiment (JOINT-I) was conducted off Northwest Africa. An array of current meters and meteorological buoys were moored along 21°40′N. In this paper the mean current patterns and the fluctuations on time-scales longer than one day are discussed. On the shelf the flow is essentially wind-driven and additionally enhanced by the southward jet of about 10...20 cm s⁻¹. Offshore a counterflow moves northward opposite to the winds. This countercurrent may be a characteristic feature of the regional currents in spring. The variability of the currents over the shelf and the slope is mainly determined by the competition between the wind-driven flow and the countercurrent. The upwelling system may be confined to the shelf or extend as far as 100 km (twice the shelf width) offshore depending on the strength of the local winds.

Most intense ascending motions of 0 (10⁻² cm s⁻¹) occur at the shelf break within the layer between the edge (at 100 m) and the upper boundary of the poleward undercurrent (at about 150 m). The water masses rising up the slope become trapped by the subsurface onshore flow within the compensation layer and upwell into the surface layer on the shelf and close to the coast.

The undercurrent is centered at depths between 200 m and 300 m. The flow is 30 km broad and moves with a mean speed of 10 cm s⁻¹ northward, leaning upon the slope. Fluctuations of the current regime within the upper layer may appreciably bias the undercurrent. Friction of the undercurrent produces an offshore component (≈5 cm s⁻¹ very near the bottom. This implies the vertical velocity to change its sign within a frictional bottom layer along the slope which is probably not thicker than 20 to 40 m.

The mean fluctuations of the trade winds have a typical period of about a week or longer. During these periods the trades blow consistently towards 210° with a speed of 11 m s⁻¹ (wind stress τ=2.4 dyn cm⁻²). The same time-scale is observed in the currents on the shelf, which are well correlated with the local winds. The flow on the shelf responds within a day to wind fluctuations.

Once strong trades have set up, a balance of the zonal (offshore-onshore) transport tends to adjust after 1 to 3 days. It is assumed that the more the local winds dominate the current field, the higher is the probability of a two-dimensional upwelling.

Zusammenfassung

Während des Auftriebs-Experiments JOINT-I vor Nordwest-Afrika von Februar–Mai 1974 wurden Strom- und Windmessungen entlang 21°40′N durchgeführt. Die vorliegende Arbeit beschreibt die mittleren Stromverhältnisse sowie die Wind- und Stromschwankungen für Zeiträume länger als ein Tag während des Experiments.

Die Strömung auf dem Schelf wird hauptsächlich vom örtlichen Wind erzeugt und ist zusätzlich durch den südwärts fließenden „coastal jet” um 10 ... 20 cm s⁻¹ verstärkt. Seewärts vom Schelfrand setzt ein Gegenstrom nach Norden, entgegen der vorherrschenden Windrichtung. Dieser Gegenstrom ist vermutlich ein typischer Bestandteil der regionalen Strömung im Frühjahr.

Die Variabilität der Strömung auf dem Schelf und über dem Kontinentalabhang wird im wesentlichen durch die Wechselbeziehungen der windbedingten Strömung (Auftriebssystem) und des Gegenstroms bestimmt. Entsprechend den örtlichen Windverhältnissen kann das Auftriebssystem auf das Schelfgebiet beschränkt sein oder sich ca. 100 km (doppelte Schelfbreite) von der Küste seewärts ausdehnen.

Die stärksten Auftriebsgeschwindigkeiten von 0 (10⁻² cm s⁻¹) treten am oberen Kontinentalabhang zwischen dem Schelfrand (100 m) und der Obergrenze des nordwärts setzenden Unterstroms (150 m) auf. Das aufsteigende Tiefenwasser wird von der auflandigen Strömung in der Kompensations-Schicht, unterhalb der Ekman-Schicht, absorbiert und erreicht erst über dem Schelf und dicht an der Küste die Oberfläche.

Der Unterstrom konzentriert sich in der Tiefenschicht zwischen 200 und 300 m. Er fließt mit einer mittleren Geschwindigkeit von 10 cm s⁻¹ nach Norden und hat einen horizontalen Durchmesser von 30 km. Schwankungen der Oberflächenströmung beeinflussen den Unterstrom. Die Bodenreibung des Unterstroms verursacht eine ablandige Stromkomponente (≈5 cm s⁻¹). Hierdurch ändert sich in der vermutlich nur 20 ... 40 m mächtigen Reibungsschicht über dem Boden das Vorzeichen der Vertikalgeschwindigkeit am Kontinentalabhang.

Die Schwankungen der örtlichen Passate haben eine typische Periode von einer Woche oder länger. Innerhalb dieser Zeiträume ist der Wind relativ stabil und weht mit einer Geschwindigkeit von 11 m s⁻¹ (wind stress τ=2,4 dyn cm⁻²) nach 210⁰.

Strom- und Windschwankungen sind über dem Schelf eng gekoppelt. Die Strömung paßt sich den Windänderungen innerhalb eines Tages an. Ein bis drei Tage nach dem Einsetzen starker Passate stellt sich auf dem Schelf näherungsweise ein Gleichgewicht zwischen der ablandigen und auflandigen Stromkomponente ein. Je stärker der Wind das lokale Stromfeld beherrscht, desto wahrscheinlicher ist die Tendenz zu einer zwei-dimensionalen Zirkulation.

Résumé

De février à mai 1974, une série de mesures de remontée d'eau à la côte (JOINT-I) a été effectuée au large de l'Afrique du Nord-Ouest. Une rangée de courantomètres et de bouées météorologiques a été mouillée le long du parallèle 21°40′N. Les types de courants moyens et les fluctuations sur des périodes supérieures à un jour sont étudiés dans cet article. Sur le plateau continental, le courant est essentiellement dû au vent et est accru par l'afflux d'eau vers le Sud d'environ 10 à 20 cm s⁻¹. Au large, un contre-courant se déplace vers le Nord, à l'opposé des vents. Ce contre-courant peut être un trait caractéristique des courants régionaux au printemps.

La variabilité des courants sur le plateau et le talus continentaux est principalement déterminée par la rivalité entre le courant dû au vent et le contre-courant luimême. Le système de remontée d'eau peut se limiter au plateau continental ou s'étendre jusqu'à 100 km au large (deux fois de largeur du plateau) selon la force des vents locaux.

Les mouvements ascendants les plus intenses (de l'ordre de 10⁻² cm s⁻¹) se produisent sur la partie supérieure du talus continental dans la couche comprise entre le rebord du plateau (à 100 m) et la limite supérieure du courant profond se dirigeant vers le pôle (à environ 150 m). Les masses d'eau s'élevant au-dessus du talus continental sont captées par le courant de subsurface venant du large dans la couche de compensation et remontent dans la couche de surface sur le plateau continental et près de la côte.

Le courant profond est situé à des profondeurs de 200 à 300 m. L'écoulement est large de 30 km et se déplace à une vitesse moyenne de 10 cm s⁻¹ vers le Nord, s'appuyant sur le talus continental. Les fluctuations du régime du courant dans la couche supérieure peuvent influencer le courant profond de façon appréciable. La friction du courant profond produit une composante au large (≈5 cm s⁻¹) très près du fond. Ceci implique que la vitesse verticale change de signe dans une couche de friction du fond le long du talus continental qui n'a probablement pas plus de 20 à 40 m d'épaisseur.

Les fluctuations moyennes des alizés ont une période typique d'environ une semaine ou plus. Durant ces périodes, les alizés soufflent uniformément dans le 210⁰ avec une vitesse de 11 m s⁻¹ (wind stress τ=2,4 dyn cm⁻²). La même échelle de temps est observée dans les courants sur le plateau continental, qui sont bien en corrélation avec les vents locaux. Le courant sur le plateau continental répond dans l'espace d'une journée aux fluctuations du vent.

Une fois que les vents forts se sont établis, un équilibre du transport zonal (au large — à la côte) tend à s'instituer après un à trois jours. On présume que plus les vents locaux dominent le champ du courant, plus la probabilité d'une remontée d'eau bi-dimensionnelle est grande.