Ocean heat transport across Antarctic continental shelves in response to atmospheric forcing

Abstract

Kontinentalsokkelen rundt Antarktis beskytter de enorme isbremmene i sør fra det varme (dvs., varmere enn havets frysepunkt ved overflaten) dyphavet i nord som omkranser kontinentet. Likevel har det skjedd store endringer i vannmassekomposisjonen i havet over kontinentalsoklene fordi dette varme vannet iblant finner veier sørover. I dag skjer de største endringene i Amundsenhavet i Vestantarktis, hvor umodifisert varmt sirkumpolært vann finnes rett nord for kontinentalsokkelen og enkelt strømmer sørover. Det er vel etablert at den observerte økningen i smelting under isbremmene skyldes innstrømming av varmt vann, men den bakenforliggende årsaken til endringen i temperatur på kontinentalsokkelen er fremdeles et delvis åpent spørsmål. Endringer i storskala atmosfærisk pådrag drevet av klimaendringer er foreslått som én av de underliggende hovedmekanismene.

Områder med dypvannsproduksjon, slik som Weddellhavet, er fremdeles kalde og endringene i smelting av isbremmene der er relativt små, men både tettheten og pro- duksjonen av dypvann er blitt redusert. Hvis disse områdene også blir vesentlig varmere vil det påvirke både havnivåstigning og den globale havsirkulasjonen. Som i Amund- senhavet er endringer i det atmosfæriske pådraget en foreslått kandidat som kan endre kontinentalsokkelen i Weddellhavet fra dagens kalde tilstand til en varmere tilstand.

Atmosfærisk pådrag er dermed potensielt viktig for både dagens og fremtidig vari- abilitet i både det varme Amundsenhavet og det kalde Weddellhavet. De underliggende mekanismene på ulike tidsskalaer og regionale forskjeller er imidlertid ikke fullt ut forstått. Denne avhandlingen tar for seg viktigheten av atmosfærisk pådrag for vari- abilitet i sirkulasjon og hydrografi i havet over Antarktis sine kontinentalsokler. Re- sultatene våre er hovedsakelig basert på data fra oseanografiske målerigger, regionale modelldata, og eksperimenter i en idealisert havmodell.

I Artikkel I zoomer vi inn på den isbremmen i Antarktis som mister størst volum — Getz Isbremmen i Amundsenhavet. Vi beskriver den første oseanografiske tidsserien fra en undersjøisk renne som leder opp til en av isbremmens sentrale fronter, og bekrefter dens kalde tilstand relativt til de nærliggende rennene. Forholdet mellom mesoskala variabilitet i temperaturen til det dype varme laget og overflatestresset på havet stemmer overens med forventet heving og senking av isotermene over kontinentalhyllen. Den observerte havstrømmen mot isbremmen reagerer imidlertid ulikt på pådraget i forhold til strømmene i de nærliggende rennene. Vi foreslår at en sterk strøm sørover mot isbremmen kan være et resultat av barotrop tilpasning av strømmen langs kysten, og dermed en frakopling av denne isbremfronten fra direkte strøm av varmt vann sørover fra kontinentalskråningen.

Regionale modelldata indikerer imidlertid at riggperioden kan ha vært unormalt kald. Vi knytter år-til-år variabiliteten under riggperioden til Ekman pumping og meridional forflytning av de sonale vindfeltene, mens den fler-årlige variabiliteten i isotermdyp synes å være tettere knyttet til anomalier i sommerisdekket. Det kan dermed være at hydro- grafien i denne renna varierer mye på flerårige tidsskalaer.

Overflatestresset på havet er også en essensiell pådriver for variabilitet på kontinen- talsokkelen i Weddellhavet. Hver sommer blir overflatestresset svekket. Da svekkes den Antarktiske skråningsfronten, og tillater at varmt vann strømmer opp på den nordlige delen av kontinentalsokkelen. En tidligere studie observerte varmt vann helt sør ved Filchner isbremmen. De foreslo at plutselig sterk vind forårsaket sterkere strøm sørover som brakte med seg varmt vann. I Artikkel II og III undersøker vi denne hypotesen nærmere, motivert av potensialet denne mekanismen har for å bidra til smelting under Filchner isbremmen.

Eksperimenter med et idealisert oppsett av havmodellen ROMS antyder at stormer kan forsterke varmetransporten sørover gjennom hele året. De største anomaliene er i november og desember. Når varmt vann er tilgjengelig på kontinentalsokkelen vil en styrket havsirkulasjon frakte det varme vannet lengre sør enn det ville nådd uten økningen i momentum. Styrken til det økte overflatestresset synes å være viktigere enn varigheten. Analyse av ERA5 reanalyse data (1979 til 2022) oppstrøms av Filchner- renna viser at antallet stormdager og styrken til de ekstreme vindene synes å ha økt mest i desember. Vi foreslår derfor at det varme vannet vil nå lengre sør tidligere i den varme sesongen hvis disse atmosfæriske trendene fortsetter i fremtiden.

Analyse av observasjoner fra samme område bekrefter at hendelser med sterkt over- flatestress kan gi økt sirkulasjon langs kontinentalskråningen og på kontinentalsokkelen. Mer enn halvparten av identifiserte stormer fører til at den Antarktiske skråningsstrøm- men øker med omtrent 10 cm s−1. Vi identifiserer terskler det økte overflatestresset må overskride for å forårsake en signifikant økt skråningsstrøm. Omtrent en tredel av hen- delsene forårsaker også økt strøm sørover ca. midtveis mellom kontinentalskråningen og isbremmen. Dette understreker at hendelser med sterkt overflatestress kan gi økt sirkulasjon sørover og dermed potensielt frakte varmt vann unormalt nær isbremmen.

Artiklene i denne avhandlingen har alle et fokus på hvordan atmosfærisk pådrag påvirker variabilitet i hydrografi og sirkulasjon over kontinentalsoklene i Antarktis, med spesifikt fokus på effekten av overflatestress på varmetransport mot sør. Kontrasten mellom det varme Amundsenhavet og det kalde Weddellhavet gir oss to perspektiver på sårbarheten til Antarktis ovenfor atmosfærisk pådrag. Begge regionene, Amundsenhavet i sitt varme regime og Weddellhavet i sitt kalde regime, synes å være sårbare til endringer i de lokale og sirkumpolære vindfeltene, så vel som forventede endringer i syklonisk aktivitet rundt Antarktis. I lys av denne avhandlingen foreslår vi derfor en videre innsats for å forstå havets respons til atmosfærisk pådrag på flerårige tidsskalaer i disse områdene, i tillegg til et spesifikt sirkumpolært fokus på variabilitet drevet av stormer.

The continental shelves of Antarctica protect the vast ice shelves in the south from the warm (i.e., warmer than the surface freezing temperature of seawater), deep circumpolar ocean in the north. Still, many of Antarctica’s continental shelves are experiencing critical changes in their water mass composition due to intrusions of this warm water. At present, the largest changes occur in the Amundsen Sea in West Antarctica, where unmodified warm circumpolar water is found just north of the continental shelves and readily flows southward. While it is well established that enhanced ocean thermal driving at the base of the ice shelves is the main mechanism behind the observed accelerated melt, the underlying changes that increase the temperatures on the shelves are still discussed. Shifting large-scale atmospheric forcing caused by climate change is one of the main suggested background drivers.

Locations of deep water production, such as the Weddell Sea, are still generally cold, and melt rates are low. However, reduced density and production of Antarctic Bottom Water is observed. Should these regions become warmer, the impact would affect both sea level rise and the global ocean overturning. As in the Amundsen Sea, changes and variability in atmospheric forcing are suggested candidates that might alter the present- day cold state of the Weddell Sea continental shelf.

Atmospheric forcing is, thus, potentially important for the present and future vari- ability of both the warm Amundsen Sea and the cold Weddell Sea. The underlying mechanisms on different time scales and regional differences are, however, not fully understood. This thesis addresses the importance of atmospheric forcing for variability in circulation and hydrography on continental shelves in Antarctica, specifically the Amundsen Sea and the southeastern Weddell Sea. Our results are primarily based on oceanographic moorings, regional model output, and idealized model experiments.

In Paper I, we zoom in on the largest contributor to volume loss from Antarctica’s ice shelves — Getz Ice Shelf in the Amundsen Sea. We describe the first oceanographic time series from a trough leading up to one of its central ice fronts and confirm its cold state relative to adjacent troughs. The relationship between the mesoscale variability in temperature of the deep, warm layer and the ocean surface stress agrees with expectations of short-term lifting and deepening of isotherms on the shelf. However, the current towards the ice shelf responds differently from adjacent troughs. We suggest that a strong southward current towards this ice front is driven by barotropic adjustment of the current along the coast and, thus, a decoupling of the ice front from the direct flow of warm water southward from the continental shelf break.

Regional model output indicates that the mooring period might have been colder than usual. While we associate the interannual variability in observations to cumulative Ekman pumping and meridional movement of the zonal wind fields, the multiyear variability in isotherm depth appears to be more strongly related to local anomalies in summertime sea ice concentrations. The hydrography in the trough might vary substantially on multiyear time scales.

Ocean surface stress is also a crucial driver of variability on the Weddell Sea continental shelf. Every summer, the surface stress weakens, and the Antarctic Slope Front relaxes, allowing warm water to enter the northern part of the shelf. One previous study observed warm water all the way south to the Filchner Ice Shelf front. They suggested that sudden strong wind events enhanced the southward flow on the shelf and brought with it the warm water. In Papers II and III, we investigate this hypothesis further due to its potential importance for melting in the cavity of Filchner Ice Shelf.

Experiments with an idealized setup of the ocean model ROMS indicate that storms can enhance the southward heat transport on the continental shelf throughout the year, with the largest storm-driven anomalies occurring in November and December. When- ever warm water is available on the continental shelf, the enhanced circulation caused by the storm will push the warm water further south than it would have reached without the enhanced momentum. The magnitude of the stress appears to be more influential than the duration. Analysis of ERA5 reanalysis data (1979 to 2022) upstream of Filch- ner Trough indicates that the number of storm days and the strength of the extreme wind events have increased the most in December in this region. We, thus, suggest that the warm water might reach further south earlier in the season if this atmospheric trend continues into the future.

Analysis of observations from the region confirms that strong ocean surface stress events can enhance the circulation along the continental slope and on the continental shelf. More than half of the storm events we identified cause the Antarctic Slope Current just upstream of Filchner Trough to increase by roughly 10 cm s−1. We further identify thresholds that the sudden increase in ocean surface stress must exceed to cause a significantly enhanced slope current. Roughly halfway south between the continental slope and the ice front, about one-third of the events cause an enhanced southward current. This emphasizes that strong ocean surface stress events are capable of enhancing the southward circulation and thus potentially bringing available warm water anomalously close to the ice front.

The papers in this thesis are connected by their emphasis on atmospherically driven variability in hydrography and circulation on continental shelves in Antarctica, specifically the effect of ocean surface stress on southward heat transport. The focus on the warm Amundsen Sea and the cold Weddell Sea enables two perspectives on the vulnerability of Antarctica to atmospherically driven forcing. It emphasizes that two regions on opposing sides of the “Antarctic shelf-spectrum” are both subject to variability in atmospheric forcing. They are thus also likely vulnerable to changes in both the local and circumpolar large-scale zonal wind fields and projected changes in cyclone activity around Antarctica. In light of this thesis, we therefore suggest a continued effort to understand the oceanic response to atmospheric forcing on interannual time scales, as well as a specific circumpolar focus on storm-driven variability.