Present and future drivers of Arctic sea ice variability

Abstract

Havisdekket i Arktis har blitt gradvis redusert de siste tiårene. Isdekket varierer likevel betydelig fra år til år, og fra tiår til tiår på grunn av naturlige (interne) variasjoner i klimasystemet. Slike interne variasjoner i isdekket er en viktig kilde til usikkerhet i prognosene for de neste tiårene, inkludert tidspunktet for et isfritt Arktis. Hvis vi forstår mekanismene bak den interne variabiliteten og hvordan de påvirker utviklingen av havisdekket, kan vi dermed lage bedre projeksjoner for hvordan isen vil utvikle seg i framtiden. Etter hvert som Arktis blir isfritt om sommeren, vil det fremtidige tapet av havis og variasjonene i havisdekket være størst om vinteren. Variabiliteten i havisen om vinteren er for tiden størst i Barentshavet, men etter hvert som iskanten trekker seg tilbake, vil mer sentrale deler av Polhavet oppleve økt variabilitet i havisdekke. Hva som driver denne variabiliteten kan likevel være annerledes i ulike områder. Denne avhandlingen bidrar til å øke vår forståelse av de nåværende og fremtidige drivkreftene av interne variasjoner i vinterisdekket, og hvordan intern variabilitet har påvirket de observerte endringene i sommer- og vinterisdekket.

Den første delen av avhandlingen undersøker hva som styrer nåværende og fremtidige variasjoner i vinterhavisen i observasjoner og i Community Earth System Model 1 Large Ensemble (CESM-LE). Varmetransporten i havet gjennom Beringstredet og Barentshavet er den viktigste årsaken til variasjoner i havisen på henholdsvis Stillehavs- og Atlanterhavssiden av Polhavet. Vi finner at påvirkningen fra varmetransporten i havet vil ekspandere. Varmetransporten i havet gjennom Framstredet spiller imidlertid en mindre rolle for variasjonene i vinterhavisen. Vi finner også at storskala atmosfæriske variasjoner, som den arktiske oscillasjonen, bare er svakt korrelert med nåværende og fremtidige variasjoner i vinterhavisen. I stedet finner vi at storskala atmosfæriske sirkulasjonsmønstre som transporterer varme og fuktighet fra Atlanterhavet og Stillehavet bidrar til regionale sjøisvarisjoner.

Gitt de store fremtidige endringene i havets innflytelse på havisdekket i CESM-LE, har vi sammenlignet hvordan varmetransporten i havet påvirker vinterhavisen i ulike klimamodeller. Vi finner en sterk enighet mellom modellene om at sammenhengen mellom varmetransport i havet og vinterens havisdekke blir viktigere i ett større område i framtiden, men svekkes generelt som følge av at iskanten trekker seg tilbake. Denne svekkelsen er sterkere på den atlantiske siden. Vi finner også betydelige modellforskjeller som kan forklares med forskjeller i mellomårlig variabilitet i den atlantiske innstrømningen og forskjeller i gjennomsnittlig volumtransport og nedstrøms lagdeling på Stillehavssiden.

For å bedre forstå den relative betydningen av ulike drivkrefter i hav og atmosfæren på variasjoner i havisdekket bruker vi en kausal metode, med fokus på Barentshavet og Karahavet i CESM-LE og reanalysedata. Vi finner at varmetransporten i havet har den største kausale påvirkningen på havisen i det sentrale og nordøstlige Barentshavet. Atmosfæretemperaturen har størst innflytelse i det nordlige Barentshavet og Karahavet, og havisen i det sørlige Barentshavet påvirkes mest av den lokale havoverflatetemperaturen. Vi viser at den storskala atmosfæriske sirkulasjonen over de nordiske hav indirekte påvirker havisen ved å drive varmetransporten inn i Barentshavet. Videre finner vi at atmosfæretemperaturen vil ha størst innflytelse på havisen i Barentshavet og Karahavet i fremtiden, noe som stemmer overens med den avtagende innflytelsen fra varmetransporten i havet.

Den siste delen av avhandlingen fokuserer på hvilken rolle intern variabilitet spiller for de observerte sjøisendringene i løpet av de siste tiårene. Vi bruker en statistik metode for å skille ut ulike moder av intern variabilitet i den observerte utviklingen av sommer- og vinterisdekket. Vi finner interne moder i havisvariabiliteten som er knyttet til den arktiske oscillasjonen, samt variasjoner i havoverflatetemperaturen i Stillehavet. Vi identifiserer også en intern mode knyttet til antisyklonisk atmosfærisk sirkulasjonen på forsommeren som forklarer det akselererende tapet av sommerhavis frem til 2012 og den nylige nedgangen i tapet av sommerhavis. Vi estimerer også det totale bidraget fra intern variabilitet til trendene i det observerte sjøisdekket og viser at den interne variabiliteten bidro med opptil 50% i enkelte tiår. Våre estimater av det interne bidraget over hele perioden er imidlertid mindre enn estimater basert på klimamodeller.

The long-term decline of the Arctic sea-ice cover is overlaid by substantial interannual to decadal internal variability. This variability is a major source of uncertainty in projections over the next decades, including the timing of a seasonally ice-free Arctic. Understanding the mechanisms of internal variability and how they modify the evolution of the sea-ice cover will enable better predictions, and help to constrain future projections of the sea-ice cover. As the Arctic becomes ice-free in summer, future sea-ice loss and variability will be largest in winter. Winter sea-ice variability is currently strongest in the Barents Sea, but as the ice edge retreats, more central regions of the Arctic Ocean will see increased sea-ice variability, where the mechanisms and drivers might be different. This thesis advances our understanding of the present and future atmospheric and oceanic drivers of winter sea-ice variability, and how internal variability has modified the observed changes in the summer and winter sea-ice cover.

The first part of the thesis investigates the present and future drivers of winter sea-ice variability in observations, reanalysis, and the Community Earth System Model 1 Large Ensemble (CESM-LE). We find that large-scale atmospheric modes of variability, like the Arctic Oscillation, are only weakly correlated to present and future winter sea-ice variability. Instead, we find large-scale atmospheric circulation patterns associated with regional sea-ice variability, consistent with heat and moisture transport from the Atlantic and Pacific, which only change slightly in the future. Ocean heat transport through the Bering Strait and the Barents Sea Opening are major drivers of sea-ice variability on the Pacific and Atlantic sides of the Arctic Ocean, respectively. A key result is that this oceanic influence will expand poleward in the future, affecting winter sea-ice variability over a larger area. However, ocean heat transport through the Fram Strait only plays a minor role in winter sea-ice variability.

Given the large future changes in oceanic influence in CESM-LE, we analyze the role of ocean heat transport in more detail and compare its future impact on winter sea-ice variability across ensembles from several climate models. We find a strong model agreement for an expanding but weakening connection between ocean heat transport and the winter sea ice cover as a result of the retreating sea-ice edge. This weakening is stronger on the Atlantic side. We find substantial model differences that can be explained by differences in the simulated variance of the Atlantic inflows and differences in the mean volume transport and downstream stratification on the Pacific side.

To better understand the relative importance of atmospheric and oceanic drivers of sea-ice variability, we use a causal method, focusing on the Barents-Kara Seas in CESM-LE and reanalysis data. We find that ocean heat transport through the Barents Sea Opening has the largest causal influence on annual mean sea-ice variability in the central and northeastern Barents Sea. The atmospheric temperature has the largest influence in the northern Barents Sea and the Kara Seas, and sea-ice variability in the southern Barents Sea is most influenced by local sea-surface temperature. We show that the large-scale atmospheric circulation over the Nordic Seas indirectly influences sea ice by driving heat transport into the Barents Sea. We find that in the future, the atmospheric temperature will have the largest influence on sea ice in the Barents-Kara Seas, consistent with the weakening influence of ocean heat transport.