Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004
113
ON A POTENTIAL VORTICITY IDENTIFICATION OF THE NO-MOTION LEVEL USING ONLY
HYDROLOGIC DATA, WITH APPLICATIONS TO THE MEDITERRANEAN SEA
M. Kurgansky
1, 2
, and E. Salusti
3
*
1
Department of Atmospheric and Oceanic Physics, Faculty of Physics and Mathematics, University of Concepcion, Casilla 160-C,
Concepcion, Chile - kurgansk@udec.cl
2
A.M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics, Academy of Sciences, Russia.
INFN, Phys. Dept., “La Sapienza” Rome University Piazzale A. Moro, 2
Rome, Italy, * ettore.salusti@roma1.infn.it 
Abstract
The theory of potential vorticity for stratified ?uids in a rotating system is applied to potential temperature 
?
and salinity S. These ‘tracer
potential vorticities’are used to obtain an absolute ?uid velocity that generalizes earlier formulations. Here we use not the steady absolute
velocity but only a vector 
??×?
Sproportional to it. In this way, insight is gained into a purely hydrological identification of the no-motion
level. This is then applied to historical data of the Mediterranean Sea with interesting results. 
Keywords: potential vorticity, no motion level
A classical problem
It is well known how from the measurements of marine temperature
and salinity one can obtain vertical gradients of the current velocity u
[1], [2]. Recently, oceanographers using the 
ß
-spiral theories have
greatly improved our theoretical understanding of these problems by
noting how in reality hydrologic data allow the identification of the
no-motion level [see 3 for a review]. A somewhat simpler relation for
steady currents was obtained in [4] that in addition utilizes only
potential temperature 
?
and salinity Sdata set. 
Here we restrict ourselves to a simpler results that gives not ubut
only a vector 
??×?
Sproportional to it, to search for surfaces of no
absolute motion (NAM in the following) for steady or quasi-steady,
inviscid or viscous marine currents. This is then applied to historical
data of the Mediterranean Sea with good agreement between our
theory and other information. 
The absolute velocity field
In a steady adiabatic case, assuming         
,        ,
,
calling 
?
the water density, the most general representa-
tion is 
?
u= 
?
(
?
, S)
??×?
S,
(1)
where 
?
(
?
, S) is an arbitrary function. We now consider potential
vorticities 
and                 with as 
the absolute vorticity. Application of the general Ertel’s vorticity
theorem and also the method [4] gives two formulas 
(2)
(3)
where kis the unit vertical vector, gthe gravity and wthe vertical
velocity. According to (1-3) we focus our attention on the vector 
??×?
S. In [4] it is shown that 
??×?
Sis proportional to uif the
streamlines do not change their shape with time, even if |u| can be
(slightly) time-dependent. This single vector can moreover give
sufficient information about the NAM surfaces 
S
.
The condition 
??×?
S=0 is satisfied when or more
generally 
, where 
?
and 
F
are arbitrary functions. When 
S
is essentially inclined to the horizon, as it is typical in the southern
Mediterranean   Sea,   then   we   may   take 
or   better
, as a first guess in order to arrive at  
??×?
S=0  from 
the above conditions.
No-motion surfaces in the Mediterranean Sea
The Mediterranean Sea has been studied for a particularly long
time, since the Phoenician and Greek civilizations. However only in
1961 G. Wüst [5] was able to present a realistic scheme of its general
circulation. The data set of 
?
and Swe analyze is taken from the Atlas
Hydrologique de la Mediterranée [6], prepared by P. Guibout.
We start with transect 69-70 between the Libyan coast and Sicily
(Cape Passero), along 15°40
'
E for the winter season. Under the
MAW, the LIW core is rather superficial, at 350-400 m depth. There
is a sharp zone of strong shears of the current velocity in the upper 200
m, spreading from the Libyan coast till ~35°N. So a reasonable 
S
surface can be identified with the S=38.60 surface, that is ~250 m
deep in the main part of transect between 32°30
'
-35°00
'
N, and then
rapidly shoals near the Malta Island. 
Transect 65-66 from Cape Dimas, Tunisia, to Malta Island is rather
similar to the previous transect: a reasonable 
S
surface is at 400-
300m depths, corresponding to an S = 38.30 - 38.60 layer while the
LIW core is at ~1000 m depth. 
The transect 15-16 from Algeria to Toulon, along 6°E, is also
interesting. The core of LIW, with S = 38.50, is at ~400 m depth. At
south one can easily recognize the superficial core of MAW. A
reasonable 
S
surface is evident only between Algeria, where it is
~170m deep, and the region at 39°30
'
-40°00
'
N, along the surfaces
S= 37.70 - 37.90. Near the French coast there is a very strong coastal
jet, ?owing westward, which doesn’t seem to have any no-motion
level. 
All this look in agreement with the scheme of an eastward
superficial MAW surface current at south, ?owing opposite to the
underlying LIW, and of rather parallel ?ows of LIW and MAW at the
north. However, these are actually debatable points as discussed by C.
Millot and other authors in various articles (see [7], for a review).
It is obvious that there are still some serious difficulties regarding
the direct implementation of our theoretical results in the study of real
data, both from the observational and the computational standpoints.
So far, only the Mediterranean Sea, seen as a natural laboratory with
its sharp contrasts between different water masses and relatively dense
observational network, including historical data sets, can be used to
test our ideas, albeit in a preliminary way. 
References
1-Fomin, I.M., 1964. The Dynamic Method in Oceanography. Elsevier
Oceanography Series. Elsevier Publ. Comp., Amsterdam-London-NY,
212p.
2-Wunsch, C., 1978. The North Atlantic general circulation west of 50
8
West determined by inverse methods. Rev. Geophys. Space Phys, 16: 583-
620.
3-McDougall, T., 1995. The in?uence of ocean mixing on the absolute
velocity vector. J. Phys. Oceanogr., 25: 705-725.
4-Kurgansky, M.V., Budillon G. and Salusti E., 2002. Tracers and
potential vorticities in ocean dynamics. J. Phys. Oceanogr., 32: 3562-
3577.
5-Guibout, P., 1987. Atlas Hydrologique de la Mediterranée. SHOM ed.,
Ifremer, Paris, 150 p. 
6-Wüst, G., 1961. On the vertical circulation of the Mediterranean Sea.
J. Geophys. Res., 66(10): 3261-3271.
7-Fuda J.L., Millot C., Taupier-Letage I., Send U. and Bocognano J.M.,
2000. XBT monitoring of a meridian section across the western
Mediterranean Sea. Deep Sea Res. I, 47: 2191-2218.
()
()
()
()
S
S
w
g
S
S
S
S
g
a
?
×
?
?
?
?
·
?
??
?
-
=
?
×
?
?
?
×
?
?
·
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
·
?
?
×
?
?
·
?
??
?
-
=
?
-
u
k
u
2
2
?
()
()
()
()
S
w
g
S
S
S
S
g
S
a
?
×
?
?
?
?
·
??
??
?
=
?
×
?
?
?
×
?
?
·
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
·
?
?
×
?
?
·
??
??
?
=
-
u
k
u
2
2
?
()
S
?
=
?
()
S
?
F
=
?
?
x
()
z
2
1
F
F
=
F
()
z
F
=
F
()
0
=
?
·
?
u
0
=
?
?
·
u
0
=
?
·
S
u
()
?
?
?
·
=
?
?
a
?
()
?
?
·
=
?
S
a
S
?
a
?