Polynyas: Windows to the World

475 Pages·2007·12.18 MB·English

by  W.O. Smith and D.G. Barber (Eds.)

POLYNYAS
WINDOWS TO THE WORLD
ElsevierOceanography Series
SeriesEditor: DavidHalpern(1993–)
FURTHERTITLESINTHISSERIES
Formoreinformationseeourwebsite:http://www.elsevier.com/locate/eos
55. TanWeiyan
ShallowWaterHydrodynamics
56. R.H.CharlierandJ.R.Justus
OceanEnergies,Environmental,EconomicandTechnologicalAspectsofAlternativePowerSources
57. P.C.ChuandJ.C.Gascard(Editors)
DeepConvectionandDeepWaferFormationinOceans
58. P.A.PirazzoliandJ.Pluet
WorldAtlasofHoloceneSea-LevelChanges
59. T.Teramoto(Editor)
DeepOceanCirculation–PhysicalandChemicalAspects
60. B.Kjerfve(Editor)
CoastalLagoonProceses
61. P.Malanotte-Rizzoli(Editor)
ModernApproachestoDataAssimilationinOceanModeling
62. J.H.Stel,H.W.A.Behrens,J.C.Borst,L.J.DroppertandJ.P.vanderMeulen(Editors)
OperationalOceanography
63. D.Halpern(Editor)
Satellites,OceanographyandSociety
64. P.Boccotti
WaveMechanicsforOceanEngineering
65. RichardE.ZeebeandDieterWolf-Gladrow
CO2inSeawater:Equilibrium,Kinetics,Isotopes
66. N.C.Flemming(Editor-in-Chief)
OperationalOceanography:ImplementationattheEuropeanandRegionalScales
67. V.C.Lakhan(Editor)
AdvancesinCoastalModeling
68. G.J.GoniandP.Malanotte-Rizzoli(Editors)
InterhemisphericWaterExchangeintheAtlanticOcean
69. H.Dahlin,N.C.Flemming,K.NittisandS.E.Petersson(Editors)
BuildingtheEuropeanCapacityinOperationalOceanography
70. Á.BorjaandM.Collins(Editors)
OceanographyandMarineEnvironmentoftheBasqueCountry
71. A.G.Kostianoy,J.C.J.NihoulandV.B.Rodionov
PhysicalOceanographyofFrontalZonesintheSubarcticSeas
72. W.FennelandT.Neumann
IntroductiontotheModellingofMarineEcosystems
73. H.KawahataandY.Awaya(Editors)
GlobalClimateChangeandResponseofCarbonCycleintheEquatorialPacificandIndianOceansand
AdjacentLandmasses
Elsevier Oceanography Series, 74
POLYNYAS
WINDOWS TO THE WORLD
Edited by
WALKER O. SMITH, JR.
Virginia Institute of Marine Sciences, College of William & Mary,
Gloucester Pt., USA
and
DAVID G. BARBER
Department of Geography, University of Manitoba, Winnipeg, Canada
Amsterdam–Boston–Heidelberg–London–NewYork–Oxford
Paris–SanDiego–SanFrancisco–Singapore–Sydney–Tokyo
Elsevier
Radarweg29,POBox211,1000AEAmsterdam,TheNetherlands
LinacreHouse,JordanHill,OxfordOX28DP,UK
Firstedition2007
Copyright©2007ElsevierB.V.Allrightsreserved
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PrintedandboundinTheNetherlands
07 08 09 10 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Contents
ListofContributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
1 TheRoleofSeaIceinArcticandAntarcticPolynyas
D.G.BarberandR.A.Massom 1
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Polynyas,SeaIceandClimateVariability/Change . . . . . . . . . . . . . . 4
3. AnInventoryofArcticandAntarcticPolynyas . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.1. NorthernHemispherePolynyas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2. SouthernHemispherePolynyas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4. DetailedCaseStudies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1. TheNorthWater(NOW)Polynya(NWGreenland) . . . . . . . . . . 34
4.2. TheMertzGlacierPolynya(EastAntarctica) . . . . . . . . . . . . . . 37
5. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2 PhysicalOceanographyofPolynyas
W.J.Williams,E.C.CarmackandR.G.Ingram 55
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2. PolynyaFormationProcesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.1. MechanicallyForcedPolynyas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2. Convectively-ForcedPolynyas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3. FeedbackProcessesWithinPolynyas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.4. MarginalIceZone‘Polynyas’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3. PhysicalOceanography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.1. WaterMassTransformationWithinPolynyas . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2. TransportofDenseWaterAwayfromthePolynya . . . . . . . . . . . 70
4. BiologicalImportanceofPolynyas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5. FutureResearchinaChangingEnvironment . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3 PolynyaModelling
A.J.Willmott,D.M.HollandandM.A.MoralesMaqueda 87
v
vi Contents
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2. FluxModelApproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3. ParameterisationsfortheCollectionThicknessH . . . . . . . . . . . . . . . 92
4. OpeningofaOne-DimensionalPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.1. ConstantCollectionThickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2. Parameterisation(3.2)forH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.3. Parameterisation(3.3)forH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.4. DiscussionoftheOpeningModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5. Two-DimensionalSteady-StateSolutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6. Two-DimensionalSteady-StateSolutionswithOceanCurrents . . . . . . . 98
7. Unsteady2-DimensionalFluxModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
8. PolynyaClosing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
9. APolynyaFluxModelwithaPrognosticFrazilIceConcentration . . . . . 106
10. CoupledAtmosphere–PolynyaFluxModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
11. GeneralCirculationModellingApproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
12. IceGCMEquations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
12.1. MassConservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
12.2. MomentumConservation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
13. NumericalMethodsinIceGCMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
14. RegionalIceGCMApplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
14.1. Coastal-OceanPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
14.2. Open-OceanPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
15. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4 MeteorologyandAtmosphere–SurfaceCouplinginandaroundPolynyas
P.J.MinnettandE.L.Key 127
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
1.1. PolynyaFormation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
2. MeasurementsofMeteorologicalVariables . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
2.1. Winds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
2.2. SurfaceTemperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
2.3. SurfaceHumidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
2.4. Profiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
2.5. Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
2.6. Aerosols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
2.7. Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3. NWPModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4. SurfaceInteractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.1. RadiativeFluxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.2. TurbulentFluxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5. OutlookfortheFuture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
AppendixA:Acronyms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Contents vii
5 GasFluxesandDynamicsinPolynyas
L.A.MillerandG.R.DiTullio 163
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
2. GasesinCold,SaltyWater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
3. Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.1. TheRossSea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
3.2. TheNorthWater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
3.3. TheNortheastWater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
3.4. OtherPolynyas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
4. Sulfur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5. Methylhalides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6. TheFutureforAir–SeaGasExchangeinPolynyas . . . . . . . . . . . . . . 180
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6 BiogeochemistryofPolynyasandTheirRoleinSequestrationof
AnthropogenicConstituents
M.HoppemaandL.G.Anderson 193
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
2. AntarcticPolynyas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
2.1. WeddellPolynyainthe1970s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
2.2. RecurrentOffshorePolynyas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
2.3. CoastalPolynyasintheWeddellSea . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
2.4. RossSeaandTerraNovaBayPolynyas . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
2.5. EastAntarcticCoastalPolynyas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
2.6. SummaryandConcludingRemarksforAntarcticPolynyas . . . . . . 208
3. PolynyasintheArcticOcean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.1. StorfjordenPolynya. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.2. NortheastWaterPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
3.3. NorthWaterPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
3.4. CapeBathurstPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
3.5. St.LawrenceIslandPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
3.6. LaptevSeaPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
3.7. ComparisonoftheDifferentArcticPolynyas . . . . . . . . . . . . . . 214
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7 PhysicalControlofPrimaryProductivityinArcticandAntarcticPolynyas
K.R.Arrigo 223
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
2. FormationoftheFourMajorPolynyas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
2.1. TheNEWpolynya(Arctic) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
2.2. TheNOWPolynya(Arctic) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
2.3. TheRSPPolynya(Antarctic) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
2.4. TheMGPPolynya(Antarctic) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
3. RoleofPhysicochemicalPropertiesofPolynyas . . . . . . . . . . . . . . . 226
3.1. EffectofTemperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
viii Contents
3.2. EffectofLightandNutrients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
3.3. EffectofUVRadiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
4. CloudReductionoverPolynyaswithHighLatentHeatFlux . . . . . . . . . 231
5. TimingofPolynyaExpansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8 PrimaryProductionandNutrientDynamicsinPolynyas
J.-E.TremblayandW.O.Smith 239
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
2. PhytoplanktonCharacteristicsofIndividualPolynyas . . . . . . . . . . . . 243
2.1. NorthWaterPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
2.2. NortheastWaterPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
2.3. CapeBathurstPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
2.4. OtherArcticPolynyas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
2.5. RossSeaPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
2.6. MertzGlacierPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
2.7. TerraNovaBayPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
3. EcologicalConsequencesofPolynyaProduction . . . . . . . . . . . . . . . 256
3.1. NorthWaterPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
3.2. St.LawrenceIslandPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
3.3. RossSeaPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
4. ComparisonofArcticandAntarcticPolynyas . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
5. SummaryandConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
9 ZooplanktonProcessesinArcticandAntarcticPolynyas
D.DeibelandK.L.Daly 271
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
2. ZooplanktoninArcticOceanPolynyas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
2.1. SpeciesCompositionandAbundance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
2.2. IndividualandCommunityBiomass. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
2.3. IndividualFeedingRates,DietandCommunityGrazing . . . . . . . 280
2.4. FaecalPelletProductionandVerticalFlux . . . . . . . . . . . . . . . 283
2.5. SeasonalEnergyStorageandEggProductionRates . . . . . . . . . . 284
2.6. SecondaryProductionandGenerationTime . . . . . . . . . . . . . . 285
3. ZooplanktonoftheSouthernOcean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
3.1. SpeciesCompositionandAbundance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
3.2. IndividualandCommunityBiomass. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
3.3. IndividualFeedingRatesandDiet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
3.4. FaecalPelletProductionandVerticalFlux . . . . . . . . . . . . . . . 304
3.5. SeasonalLifeHistory,EnergyStorageandEggProductionRates. . . 307
3.6. SecondaryProductionandGenerationTime . . . . . . . . . . . . . . 309
4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
Contents ix
10 PelagicBacterialProcessesinPolynyas
H.W.DucklowandP.L.Yager 323
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
2. Overview:MicrobialFoodWebsinPolarSeas . . . . . . . . . . . . . . . . 326
2.1. MethodsandTerminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
2.2. FoodWebStructureandFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
2.3. BacterialGrowthinColdWater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
3. BacterialProcessesintheRossSeaPolynya(RSP) . . . . . . . . . . . . . . 331
4. BacterialProcessesinGreenlandPolynyas(NEWandNOW) . . . . . . . . 338
4.1. TheNortheastWater(NEW)Polynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
4.2. TheNorthWater(NOW)Polynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
5. OtherPolynyas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
6. SummaryandProspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
11 BenthicProcessesinPolynyas
J.M.GrebmeierandJ.P.Barry 363
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
2. GeneralPolynyaPatternsandProcesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
2.1. St.LawrenceIslandPolynya(SLIP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
2.2. RossSeaPolynya(RSP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
3. MeanstoAssessInterpolynyaDifferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
4. RateProcessesandTheirControls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
4.1. BenthicOxygenDemand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
4.2. RetentionVersusExportofCarbontotheBenthos . . . . . . . . . . . 376
4.3. DepthastheMajorFactorforVarianceinBenthicCarbonCycling . . 380
4.4. ComparisonofSLIPandRSPtootherPolynyas . . . . . . . . . . . . 382
4.5. ComparisonofPolynyastoRetreatingMarginalIceZonesand
ClimateChange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
5. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
12 TheImpactandImportanceofProductioninPolynyastoTop-Trophic
Predators:ThreeCaseHistories
N.Karnovsky,D.G.AinleyandP.Lee 391
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
2. RossSeaPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
2.1. PhysicalCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
2.2. OrganicProduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
2.3. MiddleandUpperTrophicLevels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
3. NorthWaterPolynya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
3.1. PhysicalCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
3.2. OrganicProduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
3.3. MiddleandUpperTrophicLevels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399