Stärkere Abnahme der AMOC in hoch auflösenden Modellen
Die Atlantische Meridionale Umwälzbewegung (AMOC - Atlantic Meridional Overturning Circulation) – umgangssprachlich oft als „Golfstrom“ bezeichnet – transportiert warmes Oberflächenwasser aus den Tropen bis in die hohen Breiten (Labradorsee, Nordatlantik) und strömt von dort nach einer Abkühlung und dem damit verbundenen Absinken als kaltes Tiefenwasser wieder nach Süden. Schwankungen der AMOC beeinflussen wesentlich den nordwärts gerichteten Wärmetransport im Ozean und damit das Klima in Europa und im Nordatlantik. Die Wasseroberflächentemperaturen bestimmen dabei Klimaphänomene wie die Dürren im Sahel oder die Häufigkeit von Hurrikanen im Atlantik.
Wie sich die AMOC und die mit ihr einhergehenden Klimaphänomene durch Klimaerwärmung beeinflussen lassen, wurde bisher nur mit Klimamodellen untersucht, in denen wichtige kleinskalige Prozesse, wie z. B. die Wirbel im Ozean, nicht aufgelöst und nur durch Parametrisierungen dargestellt werden. Um herauszufinden, ob diese kleinskaligen Prozesse die Reaktion des Klimasystems auf zunehmende Treibhausgase beeinflussen, müssen Klimaänderungssimulationen mit höherer räumlicher Auflösung durchgeführt werden. Bisher waren solche Simulationen nicht möglich, weil eine Erhöhung der Auflösung zur unrealistischen Abschwächung der AMOC führte. Die vorgelegte Arbeit untersucht die Abschwächung in der im EU-Projekt PRIMAVERA verwendeten Modellkonfiguration.
In den meisten bisherigen Modelluntersuchungen wurde angenommen, dass die Abnahme der Intensität der AMOC durch eine Änderung der Tiefenkonvektion bestimmt wird. Dies geschieht insbesondere durch lokale Süßwassereinträge und in gewissem Umfang durch abschmelzende Gletscher und Eisberge. Weiterhin ging man bisher davon aus, dass Windeffekte für eine Abnahme der AMOC nicht relevant sind. Die Forscher*innen finden jedoch in ihrer Studie heraus, dass der Wind eine indirekte aber entscheidende Rolle bei der Verminderung der AMOC spielt. Denn es zeigt sich, dass bei höherer Auflösung der Atmosphäre der Wind über dem Nordatlantik schwächer ist als bei niedrigerer Auflösung. Das wiederum führt zu einer schwächeren vom wind-angetriebenen Ozean-Wirbel-Zirkulation und daraus folgend zu einem reduzierten Salzwassertransport in die Labradorsee, was die Abnahme der AMOC begünstigt.
Methode
Mit Hilfe von Sensitivitätsstudien werden in der Studie die verschiedenen Faktoren (Flüsse) identifiziert, die zur starken Abnahme der AMOC beitragen. Untersucht wurden der Süßwasserfluss, der Auftriebs- (Wärme- und Süßwasser) fluss und der Einfluss des Windschubs an der Wasseroberfläche. Hierbei wird die Empfindlichkeit der AMOC gegenüber Änderungen dieser Oberflächenflüsse untersucht, die sich unter einer höheren Auflösung der Atmosphäre ändern. Die Kosten für diese Rechnungen mit hochauflösenden Modellen sind extrem hoch, daher ist es schwierig, viele Sensitivitätsstudien in hoher Auflösung durchzuführen. Aus diesem Grund haben die Forscher*innen für ihre Studie ein spezielles Rechenkonzept genutzt um diese Sensitivitätsstudien mit erheblich niedrigeren Rechnerkosten durchzuführen.
Es werden für die Sensitivitätsstudien Modellkonfigurationen des MPI-ESM - bestehend aus dem globalen Atmosphärenmodell ECHAM6, dem Landmodell JSBACH und dem Ozean- und Meereismodell MPIOM - verwendet, die auch im Rahmen des EU-Projektes PRIMAVERA für das Projekt HighResMIP (High Resolution Model Intercomparison Project) des Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) verwendet werden. Die hochauflösenden Rechnungen werden mit den Konfigurationen HR (high resolution – hohe Auflösung) und XR (extra high resolution – sehr hohe Auflösung) durchgeführt. HR und XR unterscheiden sich lediglich in der Auflösung der Atmosphäre, die in HR bei 1° liegt, bei XR jedoch bei 0.5°. Der Ozean wird in beiden Konfigurationen identisch mit 0.4° aufgelöst, d.h. in HR und XR ist das Ozeanmodell gleich. Als Referenz für die weiteren Sensitivitätsläufe mit veränderten Variablen wurden zunächst mit HR und XR Kontrollläufe über 100 bzw. 150 Jahre durchgeführt.
Um die Rolle einzelner Flüsse zu separieren führten die Forscher*innen Sensitivitätsexperimente mit sogenannten Flusskorrekturen durch. Während solche Flusskorrekturen früher dazu verwendet wurden, Modellfehler zu kompensieren und eine Drift zu vermeiden, dienen sie hier dazu, das Verhalten des höher aufgelösten XR Modells auf kostengünstige und zeitsparende Weise in der niedriger aufgelösten HR Konfiguration zu imitieren. Dazu werden die Flüsse zwischen Atmosphäre und Ozean im HR Modell durch die entsprechenden des XR Modells ersetzt.
Ergebnisse
Die AMOC im MPI-ESM wird in erster Linie von der Tiefenkonvektion durch Salzgehaltsunterschiede in der Labradorsee bestimmt. In HR wird eine Volumenströmung von 17 Sv erreicht (Sv = Sverdrup = 106 Kubikmeter pro Sekunde). Bei höherer Auflösung XR sinkt der Wert auf 9 Sv, also um fast 50 Prozent. Es zeigt sich, dass dieser starke Rückgang durch die Bildung von Meereis und durch den kompletten Stopp der subpolaren Tiefenkonvektion bedingt ist. Bei gleichen Ozeanbedingungen kann dies nur durch unterschiedliche Flüsse von Süßwasser, Wärme und Impuls in HR und XR entstanden sein.
Untersucht wurden deshalb gezielt der Süßwasserfluss, Auftriebsfluss und der Einfluss des Windes über der Wasseroberfläche, um den Auftrieb von den dynamischen Windeffekten über dem Nordatlantik und im Gebiet der AMOC zu trennen und um herauszufinden, welcher Fluss der wichtigste für die Abnahme der AMOC ist. Der Salzgehalt an der Meeresoberfläche, die Temperatur über dem Nordatlantik, die Ausdehnung des Meereises und die Tiefenkonvektion sind in den HR- und XR-Läufen nahezu identisch. Allerdings zeigt sich, dass die dynamischen Windeffekte den Süßwassereintrag in den XR-Läufen bestimmen, indem sie zu einer vergleichsweise schwachen Tiefenkonvektion und einer größeren Abnahme der AMOC führen. Denn in den Untersuchungen zum Windschub nimmt die AMOC in den sehr hoch aufgelösten Läufen (XR) stärker ab als in den Untersuchungen für den Auftrieb. Ein schwächerer Windschub bedeutet eine geringere Advektion von warmem und salzhaltigem Wasser aus dem subtropischen Wirbel, was entscheidend zur Abkühlung und einem zunehmenden Süßwassergehalt im subpolaren Wirbel führt.
Die lange bestehende Frage nach der starken Abnahme der AMOC im hochauflösenden MPI-ESM wurde letztendlich mit diesen Sensitivitätsstudien beantwortet. Das neue Rechenkonzept kann in dieser Form auch für andere höher aufgelöste Sensitivitätsstudien genutzt werden. Die geringeren Rechnerkosten sind zudem ein technischer Gewinn für die Modellierer-Community, die mit hochauflösenden Modellen rechnet.
Originalveröffentlichung
Putrasahan, D.A., K. Lohmann, J.-S. v. Storch, J.H. Jungclaus, O. Gutjahr and H. Haak (2019) Surface flux drivers for the slowdown of the Atlantic Meridional Overturning Circulation in a high-resolution global coupled climate model. Submitted to Journal of Advances in Modeling Earth Systems (JAMES), doi: 10.1029/2018MS001447
Kontakt
Dr. Dian Putrasahan
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 468
E-Mail: dian.putrasahan@mpimet.mpg.de