The overturning circulation in a changing Arctic

Abstract

Ved å begrense varmeutvekslingen mellom hav og atmosfære bestemmer sjøisen området for dannelse av dypvann i Arktis. Under økte klimagassutslipp trekker sjøisen seg nordover. Mens nyere studier tyder på at Arktis kan være en viktig kilde til dypvann som mater den nedre grenen av den Nord-Atlantiske omveltningssirkulasjonen (AMOC), er det uklart hvordan redusert sjøis-dekke vil påvirke omveltningen. Dette kan forklares med mangelen på studier som ser på Arktis sitt bidrag til omveltningssirkulasjonen.

I Paper I presenterer vi en metode for å studere den nordligste forlengelsen av AMOC i en modell med et tripolart modell-grid. Metoden brukes på en simulering av EC-Earth-PISM med et høyutslippsscenario (RCP8.5) for å undersøke effekten av redusert sjøis på sirkulasjonen. Med den nye metoden fanger vi opp den arktiske omveltningen nord for Grønland-Skottland-ryggen og gir denne navnet Arctic Meridional Overturning Circulation (ArMOC). Vi viser at sjøisens tilbaketrekning fører til en forflytning av områder med dypvannsdannelse nordover og en forbigående styrking av ArMOC frem til 2100. Vi foreslår videre at styrkingen av ArMOC reduserer den generelle svekkelsen av AMOC i et fremtidig varmere klima.

For å ta høyde for modellforskjeller utvider vi analysen i Paper I til åtte CMIP6-modeller med et lignende høyutslippsscenario (SSP5-8.5) som i Paper I. Vi viser at ArMOC styrker seg konsekvent med økningen av dypvannsdannelse nord for Grønland-Skottland-ryggen, evaluert ved hjelp av vannmassetransformasjons beregninger. Det er imidlertid store modellforskjeller i timingen og magnituden til styrkningen av ArMOC, noe som gjenspeiles i varmetransporten inn i Arktis. I motsetning til Paper I, begynner ArMOC å svekkes før år 2050 i flertallet av modellene.

I Paper III undersøker vi videre forholdet mellom sjøis og omveltning ved å analysere en simulering som gjenskaper en rask tilbaketrekning av sjøis i samsvar med en tidligere brå oppvarming under den siste istiden. Utslipp av ferskvann i Nord-Atlanteren og den nordiske hav tvinger fram en kald tilstand med vinter-sjøis som dekker hele Nord-Atlanteren, og terminering av ferskvannspådrivet utløser overgangen mot varmere tilstander og et isfritt Nordisk hav. I denne simuleringen styrkes utseendet til dyp konveksjonen når havis trekker seg tilbake, AMOC styrkes og det aktiverer en estuarin (saltholdighetsdrevet) omveltningssirkulasjon som forsterker stratifiseringen og midlertidig hemmer konveksjon.

Basert på resultatene fra de tre artiklene som utgjør denne doktorgradsoppgaven, konkluderer jeg med at ArMOC er avhengig av dypvannsdannelse og den arktiske stratifiseringen, som igjen er tett knyttet til sjøisen. Jeg foreslår ytterligere undersøkelser av mekanismen som fører til en ArMOC-styrking, fordi dette påvirker varmetransporten inn i Arktis og dermed også reduksjonen av sjøis. I tillegg fremhever resultatene behovet for en forbedret representasjon av den arktiske stratifiseringen i modeller.

Dense water formation happens in the open water Arctic Ocean as a result of strong air-sea fluxes. By substantially reducing air-sea exchanges, the sea ice determines the regions of dense water formation; however, the sea ice is retreating fast under increased greenhouse gas emissions. While recent studies indicate that the Arctic could be an important source of dense water for the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), it is unclear how the changes in dense-water formation under sea-ice retreat impact the overturning. This can be explained by the lack of studies looking at the overturning in the Arctic.

In Paper I, we present a method to study the northernmost extension of the AMOC in a model using a tripolar grid and apply it to a simulation of EC-Earth-PISM forced with a high emission scenario (RCP8.5) to investigate the effect of the winter sea-ice retreat on the circulation. With this new method, we capture the Arctic overturning north of the Greenland-Scotland Ridge, and name it the Arctic Meridional Overturning Circulation (ArMOC). We show that the sea-ice retreat leads to a northward shift in dense-water formation sites and a transient enhancement of the ArMOC until 2100. We further suggest that the ArMOC strengthening reduces the overall weakening of the AMOC in a future warming climate.

To account for model variability, we extend the analysis of Paper I to eight CMIP6 models forced with a similar high-emission scenario (SSP5-8.5) in Paper II. Using water mass transformation calculations based on the outcrop of dense layers and associated surface fluxes during winter, we show that the ArMOC strengthens consistently with the increase in dense-water formation north of the Greenland-Scotland Ridge. However, there is a large model spread in the timing and amplitude of the ArMOC strengthening, which reflects on the heat transport into the Arctic. In addition, the ArMOC starts weakening before the year 2050 in the majority of the models, in contrast to Paper I.

In Paper III, we further investigate the relation between sea ice and overturning by analyzing a simulation reproducing a rapid sea-ice retreat consistent with a past abrupt warming event from the last glacial period. The release of freshwater in the North Atlantic and Nordic Seas forces a cold state with winter sea ice covering the entire North Atlantic, and the termination of the freshwater forcing triggers the transition toward warmer condition and an ice-free Nordic Seas. In this simulation, the appearance of deep convection as sea ice retreats strengthens the AMOC and activates an estuarine (salinity-driven) overturning circulation that enhances the stratification and temporarily inhibits convection.

Based on the results of the three papers, I conclude that the ArMOC depends on dense-water formation and Arctic stratification, both of which are tightly linked to the sea-ice cover. I suggest further investigations of the mechanism leading to an ArMOC enhancement, since it impacts the heat transport into the Arctic, and therefore, the sea-ice reduction, and could delay the AMOC weakening. In addition, these results highlight the need for an improved representation of the Arctic stratification in models.