Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

107

STATISTICS OF MEDITERRANEAN COHERENT VORTICES: 

ANALYSIS OF THE SEA SURFACE HEIGHT

Jordi Isern-Fontanet*, Jordi Font and Emilio García-Ladona

Institut de Ciències del Mar CSIC, Passeig Marítim de la Barceloneta, E-08003 Barcelona, Spain - * jisern@icm.csic.es

Abstract

Basic statistics of coherent vortices in the Mediterranean sea are investigated from the analysis of Sea Level Anomalies. The study includes

the analysis of their energy, amplitude size and spatial distribution. Their effect on velocity Probability Densitiy Function (PDF) is also

analyzed.

Keywords: Mesoscale eddies, velocity PDF, altimetry

Mesoscale variability is characterized by the presence of coherent

vortices. This makes mesoscale observations of ocean resemble two-

dimensional turbulence. This similarity suggests that vortex

identification techniques common in turbulence studies can be used

for ocean studies [1]. The Okubo-Weiss parameter (W) is defined as

the squared strain minus squared vorticity [2,3]. A coherent vortex is

defined as the simply connected region with values of the Okubo-

Weiss parameter W<-0.2

s

where 

s

is the spatial standard deviation of

W. When vortices areidentified their properties can be estimated. In

this study, this definition is applied to altimetric Sea Level Anomaly

(SLA) maps between October 1992 and October 1999 constructed by

CLS [4] combining TOPEX/Poseidon and ERS-1/2 data onto a

regular grid [5]. 

Results show that the Mediterranean sea is characterized by an

approximately homogeneous distribution of vortices. However, some

of their properties such energy or amplitude are irregularly distributed

showing higher values in regions where the presence of mesoscale

eddies is well known. This suggests that a classification based on the

amplitude could allow to separate these eddies from other structures.

The analysis of the dependence of the mean size of vortices with

amplitude shows an asymptotic behavior that tends to radius of the

order of 40 km. These results suggest the heuristic classification of

coherent structures into intense vortices (characterized by values of

the amplitude smaller than -2

s

) that have the size of mesoscale

vortices, and weak vortices (characterized by amplitudes greater or

equal than -2

s

) that correspond to noisy structures and low energy

stages of mesoscale vortices. This separation of structures allows to

easily track vortices from map to map and for the first time construct

a complete picture of the preferential paths followed by them. 

Furthermore, the Probability Density Functions (PDF) of the

velocity field derived from SLA maps have also been analyzed. The

Mediterranean sea has been divided into 7 regions depending on the

geometry and the distribution of intense vortices. For each region PDF

of the geostrophic velocities have been calculated. Observed shapes of

velocity PDF are characterized by a Gaussian core with exponential

tails as observed in the Atlantic and numerical simulations of 2D

turbulence [6,7]. However, the size of the core and the tails change

from one region to the other depending on the distribution of intense

vortices. A decomposition of the velocity field into: a background

induced field, a weak vortices-induced field and a intense-vortices

field shows that the first two are characterized by distributions close

to a Gaussian, while the third one has a distribution close to an

exponential distribution.

Acknowledgements :This is a contribution to GRAC project

funded by the Spanish R+D Plan and the European Union (2FD97-

0588) and the IMAGEN project funded by the Spanish R+D Plan

(REN2001-0802-C02-02). Jordi Isern-Fontanet has been partially

supported by contracts from GRAC and IMAGEN projects. Altimetric

maps for the period analyzed were elaborated and provided by CLS

(Toulouse, France) under contract of the MATER project funded by

the European Commission (MAS3-CT96-0051). 

Fig. 2. Example of the velocity PDF of the decomposition of the velocity

field (U) into a background-induced field (Ub), a weak eddy-induced field

(Uwv) and an intense eddy induced field (Uiv) for the Algerian basin.

References

1-Isern-Fontanet J., Gacría-Ladona E. and Font J., 2003. Identification of

marine eddies from altimetry. J. Atmos. Oceanic Technol., 20:772-778.

2-Okubo A., 1970. Horizontal dispersion of ?oatable particles in the

vicinity of velocity singularities such as convergences. Deep-sea Res., 17:

445-454.

3-Weiss J., 1991. The dynamics of enstrophy transfer in two-dimensional

hydrodynamics. Physica D,48: 273-294.

4-Le Traon P.Y., Nadal F. and Ducet N., 1998. An improved mapping

method of multi-satellite altimeter data. J. Atmos. Oceanic. Technol.,15:

522-534.

5-Larnicol G., Ayoub N. Le Traon P.Y., 2002. Major changes in the

Mediterranean sea level variability from 7 years of TOPEX/Poseidon and

ERS-1/2 data. J. Mar. Syst.,33-34: 63-69.

6-Bracco A., LaCasce J., Pasquero C. and Provenzale A., 2000. The

velocity distribution of barotropic turbulence. Phys. Fluids,12: 2478-

2488.

7-Bracco A., LaCasce J. and Provenzale A., 2000. Velocity density

functions for oceanic ?oats. J. Phys. Ocean, 30: 461-474.

Fig. 1. Observed trajectories of anticyclonic intense eddies.