Long-term changes in stratification and convection in the Nordic Seas : An observational perspective

Abstract

I løpet av de siste tiårene har de Nordiske Hav gjennomgått en endring mot høyere temperatur og lavere tetthet. I Grønlandshavet ble den tyngste vannmassen i de Nordiske Hav dannet gjennom konveksjon som nådde helt til bunnen. Etter 1990-tallet har lavere tetthet ført til grunnere konveksjon. Dette skiftet har ledet til omdistribuering av kildene til overflytsvann som bidrar til vann i den Atlantiske omveltningen.

Fokuset i artikkel I er å forstå endringen i Grønlandshavet fra konveksjon som når havbunnen til intermediær konveksjon, som skjedde samtidig med overgangen fra dannelse av Dypvann i Grønlandshavet (GSDW) til dannelse av Intermediært vann i Grønlandshavet (GSAIW) med lavere tetthet. På grunn av en økning i ferskvannstilførsel ble et stratifiseringmaksimum dannet på 1990-tallet og hindret dannelse av GSDW. En påfølgende oppvarming ivaretok stratifiseringsmaksimumet på tross av en samtidig økning i saltinnholdet. Dannelsen av stratifiseringsmaksimumet har dermed ført til frikobling av dypt og intermediært vann i Grønlandshavet.

I tillegg til å være lettere, er GSAIW betydelig varmere og har høyere saltholdighet enn det tidligere dannede GSDW (artikkel I). Denne endringen i de hydrografiske egenskapene har ledet til et skifte i stratifiseringskontrollen, hvor Grønlandshavet har gått fra et saltdominert overgangshav til et temperaturkontrollert α−hav (artikkel I, artikkel III). Dette skiftet i stratifiseringskontrollen har ledet til en endret respons til atmosfærisk nedkjøling på vinterstid: når stratifiseringen var salt-dominert, pleide konveksjon å finne sted i en kort period mot slutten av vinteren. Skiftet til et temperaturstratifisert hav førte til et gradvis dypere blandalag over hele nedkjølingssesongen.

Konveksjonsdybden varierer betydelig over de Nordiske Hav. I artikkel II introduseres en ny automatisert metode for bestemmelsen av konveksjonsdybden fra hydrografiske profiler, og brukes deretter på de Nordiske Hav. Denne metoden muliggjør gjenkjenning av rester av nylig konveksjon som er adskilt fra overflaten. Konveksjon utover det aktive blandalaget kan dermed bli gjenkjent. Et kart over konveksjonsdybden i de Nordiske Hav ble laget basert på den nye metoden, hvor Grønlandshavet skiller seg ut som regionen med dypest konveksjon. I tillegg ble det vist at svak stratifisering som gjenstår i dypet gjennom sommeren tilrettelegger for intermediær konveksjon i den etterfølgende vinteren.

I artikkel III sammenlignes endringene i oppdrift i havet med oppdriftstapet til atmosfæren. I kantregionene til de Nordiske Hav blir oppdrift fornyet gjennom hele vinteren. De sentrale Grønlands- og Islandshavene, og det sydlige Norske Bassenget identifiseres som dynamisk isolerte regioner. Vannmassedannelse i de dynamisk isolerte regionene er mindre følsom for raske endringer i atmosfærisk pådriv. De dynamisk isolerte regionene spiller derfor en viktig rolle i dannelsen av et reservoir av overflytsvann i de Nordiske Hav som gir motstand mot kortsiktig variabilitet.

På grunn av overgangen til dannelse av lettere GSAIW ble vannmassetransformasjon i Grønlandshavet viktig for omveltning i de Nordiske Hav. Svak stratifisering og dynamisk isolasjon gjør tilsammen Grønlandshavet til en ideell lokasjon for dannelse av tungt vann som leder til dyp eller intermediær konveksjon. Overgangen til et α−hav gjorde Grønlandshavet mer følsomt for atmosfærisk nedkjøling, dette økte potensialet for lokal vannmassetransformasjon. Grønlandshavet vil derfor, mest sannsynlig, fortsatt spille en nøkkelrolle for omveltning i de Nordiske Hav i en stadig varmere framtid.

Over the past decades, the Nordic Seas underwent a trend toward higher temperatures and lower densities. The Greenland Sea, where the densest water mass of the Nordic Seas were regularly renewed during bottom-reaching convection until the mid-1980s, transitioned toward the formation of a less dense water mass and shallower convection. This shift has led to a redistribution of the sources of the overflow water that contributes to the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) within the Nordic Seas.

The focus of Paper I is to understand the transition of the Greenland Sea from bottom-reaching to intermediate convection, which coincided with the transition from the production of Greenland Sea Deep Water (GSDW) to formation of less dense Greenland Sea Arctic Intermediate Water (GSAIW). In the 1990s, a stratification maximum formed due to a freshening and prevented the formation of GSDW. The subsequent warming maintained the stratification maximum despite a concurrent salinity increase. The formation of the stratification maximum has thus led to a decoupling of the deep and intermediate Greenland Sea.

Besides being less dense, GSAIW is substantially warmer and more saline than the previously formed GSDW (Paper I). This change in hydrographic properties has induced a change in the stratification control, where the Greenland Sea shifted from a salinity dominated transition-ocean to a temperature-controlled α-ocean (Paper I, Paper III). This shift in stratification control caused a changed response to atmospheric cooling in winter: while convection used to occur rapidly toward the end of winter when the stratification was salinity-dominated, the shift toward a temperature-stratified ocean led to more gradual deepening of the mixed layer over the entire cooling season (Paper III).

The convection depth varies substantially across the Nordic Seas. In Paper II, a novel, automated method for the determination of convection depth from hydrographic profiles is introduced and applied to the Nordic Seas. This method facilitates the detection of remnants of recent convection that are isolated from the surface. Thus, convection beyond the active surface mixed layer can be detected. Based on the novel method, a map of the convection depth across the Nordic Seas is prepared, where the Greenland Sea stands out as the region of deepest convection. It is furthermore shown that the weak stratification of the Greenland Sea that remains at depth throughout summer preconditions for intermediate convection in the subsequent winter.

In Paper III, buoyancy changes in the ocean are compared with the buoyancy loss to the atmosphere. In the boundary regions of the Nordic Seas, restratification occurs throughout winter. The central Greenland and Iceland Seas, as well as the southern Norwegian Basin, are identified as dynamically isolated regions. Water-mass transformation in the dynamically isolated regions is less sensitive to the fast variability of atmospheric forcing. The dynamically isolated regions thus play an important role in building a reservoir of overflow water in the Nordic Seas that provides resilience against short-term variability.

Due to the transition toward the formation of less dense GSAIW, water-mass transformation in the Greenland Sea became of substantial importance for the overturning in the Nordic Seas. Low buoyancy content (weak stratification) and slow buoyancy renewal (isolation) combined make the Greenland Sea an ideal location for dense-water formation that leads to deep or intermediate convection. The transition toward an α-ocean made the Greenland Sea more susceptible to atmospheric cooling, which increased the potential for local water-mass transformation. The Greenland Sea will thus likely continue to play a key role for the overturning in the Nordic Seas in a warming future.