On the Freshwater Transport in the Fram Strait

Abstract

Ferskvann fra Arktisk er en nøkkelparameter i det globale klimasystemet. Arktisk ferskvann har sin opprinnelse fra nedbør eller havis-smelting, og konsentrasjonen av det i havet varierer på flere tidsskalaer. Økningen i ferskvannsinnholdet i Polhavet på 2000-tallet er en manifestasjon av klimaendringer. For å bedre forstå hvordan klimaendringer påvirker ferskvannsinnholdet i Polhavet, kreves et ferskvannsbudsjett og kontinuerlig overvåkning av ferskvanns-transporten i Arktiske streder. Utstrømming av Arktisk ferskvann er også en indikator for klimastabilitet. Selv om usikkerheten er stor og prosessene og tidsskalaene er usikre, vil økt utstrømming av Arktisk ferskvann kunne føre til minking av hvor mye nytt dypvann som dannes i Nord-Atlanteren og Norskehavet, noe som kan påvirke styrken av den Atlantiske omveltingen. “Fram stredet" ble oppkalt etter Fridtjof Nansens skip Fram og er den største portalen til Polhavet. I den vestlige delen av stredet bringer Østgrønlandstrømmen Arktisk ferskvann sørover. Arbeidet fokuserer på transport av ferskvann i den vestlige Fram stredet mellom 2003 og 2020. Målinger fra oppankrede rigger med instrumenter brukes til å beregne transporten av ferskvann for å forbedre forståelsen av dagens tilstand og variabiliteten i området. Perioden 2010-2015 var preget av en økning i ferskvannstransporten sørover i Framstredet som nådde 80 mSv med en referanse på saltinnhold på 34,9. Denne økningen i utstrømningen understreket et behov for kontinuerlig overvåking av ferskvannstransport i Framstredet, noe som motiverte denne studien. Her bryter vi ned denne hendelsen og analyserer komponentene som driver den økte utstrømningen av ferskvann. Mellom 2010 og 2015 ble Polare vannmasser i overflaten (potensiell tetthet ≤ 26,5 kg/m3) merkbart ferskere i forhold til tidligere (2003-2009) Samtidig økte hastigheten sørover, delvis på grunn av endringen i den sonale tetthetsgradienten. Disse endringene i Framstredet kunne ikke forklares av det lokale vindfeltet, men viste seg å være relatert til vind drevet konvergens i det Eurasiske bassenget. Dette skjer ca 13 til 24 måneder før økningen i ferskvannstransport i Framstredet. Disse hendelsene ble navnsatt til «Nordpolkonvergens» og sørger for at reservoarene nord for Framstredet blir fersker ved å akkumulere ferskvann som senere transporteres til sørover. Mellom 2015 og 2019 gikk den gjennomsnittlige ferskvannstransporten i Framstredet ned 15% fra tidligere periode til 60 mSv. En slik reduksjon ble også observert i hydrografiske snitt vest på kontinentalsokkelen på Nordøstgrønland om sommeren. Dette indikerer at hele den vestlige Framstredet opplever lignende endringer. Den reduserte ferskvannstransporten i Østgrønlandstrømmen ble både drevet av redusert hastighet sørover og redusert ferskvannsinnhold. Dette reduserte ferskvannsinnholdet skyldtes en økning i saltinnhold i dypere og tyngre Polare vannmasser (26,5 ≤ tetthet ≤ 27,7 kg/m3). Dette har motvirket tendensen til et ferskere overflatelag. Den reduserte hastigheten skyldtes igjen i stor grad endringen i den sonale tetthetsgradienten over stredet. I denne perioden økte lagdelingen i havet drevet av saltinnhold i vannmassene betydelig. Det polare laget ble omtrent 40-50 m tynnere, og fronten mellom Polart og Atlantisk vann flyttet 10 km vestover i 2015. Disse endringene viser at Atlanterhavsvannet fra det Eurasiske basseng også observeres i den vestlige Framstredet, noe som antyder en såkalt "Atlantifisering" av regionen. Årene 2017 og 2020 viser et unntak fra den generelle trenden av økt saltinnhold. I løpet av disse årene var ferskvannsinnholdet i den vestlige Framstredet høyt og sammenlignbart med perioden 2010-2015. Disse hendelsene skyldes i stor grad en svekkelse av sirkulasjonen i Beauforthavet som skjer 0-9 måneder før økt ferskvannstransport i Framstredet. Slike hendelser ble navnsatt til «Beaufort Gyre (BG) divergens». Under disse hendelsene svekkes den antisykloniske vind i Beuforthavet, noe som tillater et utslipp av ferskvann fra reservoaret. Dette tillater mer ferskvann å strømme mot Framstredet, men her er det ennå ikke foreslått hvilken mekanisme som er den dynamiske årsaken. Samlet identifiseres tre mekanismer som påvirker transporten av ferskvann. De to første mekanismene, I) «Nordpolkonvergens» og II) «BG divergens» er nevnt ovenfor og regulerer tilgjengeligheten av ferskvann i stredet. Den tredje mekanismen er relatert til vind som driver volumtransport lokalt og uten noe forsinkelse. Denne mekaismen ble navnsatt til III) «Framstredet (FS) nordlig vind». Mekanismen driver ferskvann opp på Grønlands kontinentalsokkel og en kraftig sørgående volumtransport. Selv om den tredje mekanismen er den mest direkte, forklarer den færre hendelser med økt ferskvannstransport. Videre er det funnet negative korrelasjoner relatert til «Nordpolkonvergens» og sørgående ferskvannstransport i Framstredet med Arctic Oscillation (AO) -indeksen med ett års forsinkelse. Dette skjer fordi en lav AO-indeks gir mer ferskvann i den Eurasiske delen av Polhavet gjennom vinddrevet konvergens, og dermed en forberedelse av økt ferskvannstransport i Framstredet det påfølgende året.

Tidsserien som er opparbeidet er fra rigger i det vestlige Framstredet som har stått ute hele året over mange år. Likevel er de begrenset til Østgrønlandstrømmen langs kontinentalskråningen. Transport av ferskvann over den brede Nordøstgrønlandsokkelen er i stor grad ukjent på grunn av manglende observasjoner, noe som øker usikkerheten i anslagene for total ferskvannstransporten fra området. Bidraget fra sokkelen til total ferskvannstransport gjennom Framstredet er analysert og gir de første beregninger for helårsverdier. Over sokkelen kan sørgående ferskvannstransport være så stor som 50±30 mSv, noe som utgjør 43% av det langsiktige gjennomsnittet over vestlige Framstredet (mellom 8° og 2° V). Derfor er transporten over sokkelen et stort bidrag til ferskvannsstrømmen fra Polhavet, og transporten av ferskvann i Framstredet er større enn antatt tidligere. Imidlertid er anslagene fortsatt preget av høy usikkerhet på grunn av manglende helårs observasjoner på sokkelen.

The Arctic liquid fresh water is a key parameter of the global climate system. Fresh water can be of meteoric or ice-melt origin and its concentration in the ocean varies in multiple time-scales. An increase in the freshwater content of the Arctic Ocean in the 2000s has been shown to be a manifestation of climate change. Better understanding of how climate change affects the freshwater content of the Arctic Ocean requires a closed freshwater budget and continuous monitoring of freshwater transport in the Arctic gateways. Moreover, the Arctic freshwater outflow is a barometer for climate stability. Although uncertainty is high and the processes and time scales are not clear, it is possible that increased Arctic freshwater outflow could result in less dense-water formation in the North Atlantic and Nordic Seas, and therefore impact the strength of the overturning circulation. The "Fram" (Norwegian for "forward") Strait was named after Fridtjof Nansen’s ship and is one of the main gateways of the Arctic. In the western limit of the strait, the East Greenland Current brings Arctic freshwater to southern latitudes. Here we focus on the liquid freshwater transport in the western Fram Strait between 2003 and 2020 which we calculate based on observations from moorings, aiming to advance current understanding of the state and variability of freshwater transport in the area.

The 2010-2015 period was characterised by an increased liquid freshwater transport in Fram Strait which reached 80 mSv (reference salinity 34.9). This increase of the Arctic outflow was identified by the literature and underlined the imperative need for continuous monitoring of the freshwater outflow in Fram Strait, motivating the present study. First, we deconstruct this event and analyze the components driving this increased outflow. Between 2010 and 2015, the near-surface Polar Water (potential density anomaly σθ ≤ 26.5 kg/m3) experienced an appreciable freshening with respect to the 2003-2009 mean, while southward velocity increased, partly due to the changing zonal-density gradient in the strait. These changes in Fram Strait could not be attributed to the local wind field, but they were shown to be related to wind-induced convergence in the Eurasian Basin which precedes high FWT events in Fram Strait by 13 to 24 months. We name such events as the North Pole (NP) convergence, which freshens the reservoirs north of Fram Strait by accumulating fresh water which is later transported to Fram Strait.

Between 2015 and 2019, the mean freshwater transport in Fram Strait reduced to 60 (±4.5) mSv, 15% less than the long-term mean. Such a decrease was also observed in summer hydrographic sections west of the mooring array over the Northeast Greenland Shelf, arguing that the entire western Fram strait and the shelf experience similar changes. The reduced freshwater transport of the East Greenland Current was driven by reduced southward velocity as well as reduced freshwater content. The decreased freshwater content was due to salinification of the denser Polar Water (26.5 ≤ σθ ≤ 27.7 kg/m3), which counterbalanced the continuing freshening of the top layer. The reduced velocity was again largely due to the changing zonal gradient of density over the strait. In that period, the salinity stratification of the Polar Water increased significantly, the polar layer became thinner by approximately 40–50 m, and the Polar/Atlantic front moved abruptly 10 km west in 2015. These changes illustrate that the shoaling of the Atlantic Water in the Eurasian Arctic is also observed in the western Fram Strait, suggesting a so-called “Atlantification” of the region.

The years 2017 and 2020 formed exceptions to the general salinification trend. During these years freshwater content in the western Fram Strait was high and comparable to the 2010-2015 period. We show that these events were largely due to a weakening of the Beaufort Gyre which preceded high FWT events in Fram Strait by 0 to 9 months. We name such events as the Beaufort Gyre (BG) weakening. During these events, the anticyclonic wind forcing over the gyre weakens allowing relaxation of the freshwater lens which brings more freshwater to the margins of the ocean and Fram Strait, however the responsible dynamical mechanism is not yet understood.

Overall we identify three forcing mechanisms of liquid freshwater transport. The first two mechanisms I) NP convergence and II) BG weakening are mentioned above and regulate the availability of freshwater in the strait. The third relates to concurrent winds that drive volume transport locally in the Strait, we name it III) Fram Strait (FS) northerly winds, which confine freshwater to the Greenland shelf and drive strong southward volume transport in the same month. Albeit the third mechanism is the most direct, it explains fewer freshwater transport events. What is more, in relation to the mechanism I southward freshwater transport in Fram Strait anticorrelates with the Arctic Oscillation (AO) index with one year lag. That as a low AO index freshens the Eurasian Basin through wind-induced converging anomalies, preconditioning fresh outflow in Fram Strait the following year.

The time series obtained from year-round mooring observations in western Fram Strait are limited to the East Greenland Current, in proximity of the continental slope. Freshwater transport over the wide Northeast Greenland Shelf is mostly unknown due to limited observations and adds a large uncertainty in estimates of the total Arctic freshwater outflow from the region. We analyse the contribution of the shelf to the total freshwater transport through the Fram Strait and provide the first year-round estimates. We estimate that over the shelf southward FWT can be as much as about 50±30 mSv, which is 43% of the long-term mean over the western Fram Strait (between 8o and 2oW). Hence we suggest that the transport over the shelf contributes significantly to the Arctic freshwater outflow, adding nearly half of the liquid freshwater transport in Fram Strait, however, due to the absence of year-round observations in the western shelf, estimates are still subject to high uncertainty.