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Das großskalige geostrophische Strömungsfeld und Wirbelvariabilität anhand der TOPEX/Poseidon und Jason-1 Tandem-Mission
No full textGeostrophische Oberflächenströmungsanomalien wurden zur analyse der jährlichen Veränderungen der großskaligen geostrophischen Strömungen und des wirbelkinetischen Energiefeldes (EKE) der Ozeanzirkulation benutzt.
Die geostrophischen Strömungen wurden aus den Jason-1 - TOPEX/Poseidon (JTP) Tandem altimeter Wasseroberflächenauslenkungs- (SSH) messungsdaten mit Hilfe der Parallel-Spur-Methode mit einer Auflösung von 6.2 km antlang der Satellitenspur berechnet. Aufgrund des Bahnabstandes der beiden Satelliten können mit den Tandemmessungen nur großskalige Wirbel aufgelöst werden.
Die Analyse umfasst die gesamten 3-Jahre der Tandemmission (109 Repeatzyklen) von September 2002 bis September 2005.
Die entlang der Spur hochaufgelösten geostrophischen Geschwindigkeitsabschätzungen ermöglichen eine räumliche Kartierung auf einem 2°x 1° Gitter was einer verdoppelten Auflösung entspricht. Die Ozeanzirkulation weist eine leicht höhere meridionale Strömungsvariabilität von 10 - 20% in mittleren Breiten auf, während das Wirbelfeld in den Tropen durch die meist zonale variabilität des Strömungsfeldes dominiert ist. Dies stellt die Bedeutung einer anisotropen Betrachtungsweise des Strömungsfeldes heraus. Komplexe Strukturen erscheinen, betrachtet man das Verhältnis der Wirbelkinetischen Energie und der mittleren Energie. Das Verhältnis stellt jedoch eine untere Grenze dar. Die Untersuchung des saisonalen Strömungsänderungen zeigen jahreszeitliche Veränderungen der großen Stromsysteme, vor allem der zonalen Komponente. Dabei führen sie zu zonalen Jet-artigen strukturen im jährlichen Zyklus des südlichen Pazifik, Atlantik und Indischen Ozeans. In mittleren und hohen Breiten zeigen sich Anzeichen einer saisonal modulierten Veränderung der Sverdrupzirkulation. Vor allem in mittleren und hohen Breiten sind große Änderungen der windgetriebenen barotropen Zirkulation zu finden, die in anderen Altimeterprodukten nicht mehr zu finden sind. Auch das Feld der wirbelkinetischen Energie zeigt Amplitudenänderungen bei der jährlichen Periode. In niederen Breiten können diese durch saisonal modulierte Strömungen erklärt werden.
Die stärksten Signale zeigen sich im Golf von Tehuantepec nahe des zentralamerikanischen Kontinents sowie in der Great Whirl Region. Der Indische Ozean ist sowohl im Jahresgang als auch im 3-jährigen Mittel das energiereichste Becken. Die Frequenz- und Wellenzahlspektren werden für beide geostrophischen Geschwindikeitskomponenten sowie für die EKE auf globaler und regionaler Skala gezeigt. Neue Erkenntnisse ergeben sich aus der getrennten Betrachtung der beiden Geschwindigkeitskomponenten. So zeigt sich ein leicht erhötes Energieniveau der meridionalen Komponente im Frequenzraum unterhalb von 100 Tagen über dem gesamten extratropischen Ozean. Desweitern zeigen sich erstaunlich universelle Anstiege der Frequenzspektren aller extratropischen Regionen, jedoch bei unterschiedlichen Energieniveaus. Bei den aliasing Frequenzen der M2 und S2 Gezeiten lassen sich in einigen kontinentalen Shelfregionen Peaks finden die eine nicht ausreichende Korrektur des Gezeitensignals durch das FES204 Gezeitenmodell vermuten lassen. Bei den Wellenzahlspektren tritt der Bahnabstand der beiden Satelliten zueinander bei Wellenlängen von 100 - 20 km in Erscheinung. Trotzdem lassen sich neue Erkenntnisse für längere Wellenlängen finden, wie z.B. den steileren Anstieg der zonalen Geschwindigkeitskomponente im Vergleich zur Meridionlen. Neben den Unterschieden der beiden Geschwindigkeitskomponenten, findet man gleiche Anstiege aller extratropischen Regionen (außer der meridionalen Komponente in Regionen mit wenig Energie).
Die Steigungen der EKE Wellenzahlspektren deuten an, das die oberflächenquasigeostrophische (SQG) Turbulenztheorie die bessere Erklärung gegenüber der quasigeostrophischen (QG) Theorie für die Satellitendaten darstellt.Geostrophic surface velocity anomalies are used to analyze the annual variations of the large-scale geostrophic currents and of the eddy kinetic energy (EKE) field of the ocean circulation. The underlying geostrophic currents were estimated from the Jason-1 -
TOPEX/Poseidon (JTP) tandem altimetric sea surface height (SSH) measurements using the parallel-track-approach with a 6.2km along-track resolution. However, due to the given separation of the tracks of the two satellites, only large mesoscale eddies are resolved by the tandem measurements. The analysis covers the entire 3-year period of the tandem
mission (109 repeat cycles) from September, 2002, to September, 2005. The high resolution along-track availability of the geostrophic velocity estimates allows for a spacial mapping of all quantities on a 2°x 1° grid, resulting in a doubled mapping resolution. The ocean circulation is shown to have a slightly higher meridional variability by 10 to 20% in mid latitudes,
while in the tropics the EKE field is dominated by the variability of the mostly zonal current field which clarifies that in some regions it can be important to assume anisotropy. Very complex structures emerge in the ratio of EKE and mean kinetic energy (MKE). However, the ratio is shown to be a lower bound estimate. The investigation of the seasonal flow changes reveals annual variations of all major current systems, particularly of the zonal flow-field in low latitudes. There, they lead to zonal jet-like structures on the annual cycle
in the southern Pacific, Atlantic, and Indian Ocean. In mid and high latitudes, indications of a seasonally modulated strength of the Sverdrup circulation emerge from the analysis.
Noticeable in mid- and high latitudes are large changes in the wind-driven barotropic circulation that are not represented in other altimetric velocity products. The EKE field also shows changes in its amplitude on the annual period. In low latitudes, these can be explained by seasonally modulated currents. The strongest signals appear in the Gulf of Tehuantepec
close to the Central American continent and in the Great Whirl region. On the annual period (as well as for the 3-year mean EKE), the Indian Ocean is the most energetic basin.
The frequency and wavenumber spectra are shown for both geostrophic velocity components and for the EKE on global and regional scales. New insights are obtained due to the separate consideration of both velocity components such as a slightly higher energy level for the meridional component in the frequency range below 100 days over the entire extra-tropical ocean. Furthermore, strikingly universal frequency-slopes are found for all extra-tropical regions, thought containing different power spectral densities (PSD). On the aliasing frequencies of the M2 and S2 tides, peaks exist in some regions on the continental shelves that suggest an insufficient correction of the tidal signal from the FES2004 tidal model. For the wavenumber spectra, the resolution of the tandem mission becomes evident for wavelengths shorter than 100 - 200 km. Nevertheless, new features appear for longer wavelengths such as the steeper slope for the zonal velocity component compared to the meridional. Besides the differences between the velocity components, nearly equal slopes are found within the wavenumber spectra of all extra-tropical regions (excluding the meridional component
of the low energy regions). The slopes of the EKE wavenumber spectra indicate that the surface quasi geostrophic (SQG) turbulence theory is a better explanation than the quasi geostrophic (QG) theory for the satellite data
Arctic sea level data from tidal gauge and model simulations from 1948-2009
No full textA suite of model simulations is used to investigate the spatiotemporal variability of the Arctic Ocean circulation and the observing systems required to capture it. A comparison with sea level observations shows that all model runs realistically simulate inter-annual sea level varia-bility, but the simulated seasonal sea level variability and underlying changes in the model salinity need to be further improved. At periods <30 days, sea level variability is equivalent barotropic and strongly captured by bottom pressure observations. At the seasonal period, both barotropic and baroclinic processes contribute involving variations in the mass and densi-ty fields. Over the entire Arctic Ocean, steric height variability is dominated by halosteric effects in the upper layer. The salinity changes are related to sea ice processes, river runoff, and redistribution of the freshwater. At decadal timescales, sea level variations in the Canadi-an Basin relate to halosteric effects in the upper and intermediate layers. An adjoint sensitivi-ty analysis reveals that the decadal salinity variability is caused by anticyclonic/cyclonic wind stress, which accumulate/release freshwater in the upper layer and enhance/reduce geostrophic currents in the intermediate layer. The adjoint model simulations identify the importance of moorings and satellite altimetry on monitoring the Arctic salinity and circulation changes: while moorings capture more local salinity changes, the satellite altimetry may capture the influence of freshwater originating from the Bering Strait and the Eurasian Basin. Our study suggests that to capture basin-wide salinity changes, we need to deploy moorings in different positions spreading across the Arctic Ocean
Results of adjoint-based climate model tuning: application to the Planet Simulator
No full textThe adjoint method is used to calibrate the medium complexity climate model "Planet Simulator" through parameter estimation. Identical twin experiments demonstrate that this method can retrieve default values of the control parameters when using a long assimilation window of the order of 2 months. Chaos synchronization through nudging, required to overcome limits in the temporal assimilation window in the adjoint method, is employed successfully to reach this assimilation window length. When assimilating ERA-Interim reanalysis data, the observations of air temperature and the radiative fluxes are the most important data for adjusting the control parameters. The global mean net longwave fluxes at the surface and at the top of the atmosphere are significantly improved by tuning two model parameters controlling the absorption of clouds and water vapor. The global mean net shortwave radiation at the surface is improved by optimizing three model parameters controlling cloud optical properties. The optimized parameters improve the free model (without nudging terms) simulation in a way similar to that in the assimilation experiments. Results suggest a promising way for tuning uncertain parameters in non-linear coupled climate models
Sensitivity of the sea level change to model resolution in Max Planck Institute Earth System Model (MPI-ESM) simulations
No full textRising sea level driven by global warming is a serious threat to the coastal communities whose livelihoods depend on the coastal ecosystem. Hence, effective adaptation measures are needed to mitigate the predicted dangers of sea level rise. To be able to make informed decisions and develop successful adaptation strategies, accurate and reliable sea-level projections are essential for the coming decades. However, current climate models do not have the resolution to explicitly represent mesoscale processes in the ocean component; as a result, these processes are parameterized. The limited description of mesoscale processes in these models results in systematic errors in simulating ocean circulation properties, affecting the accuracy of sea-level projections. To study the dependence of future sea-level change on ocean model resolution, the dynamic sea level (DSL; sea surface height above the geoid) change patterns in a climate model featuring an eddy rich ocean component are compared to those of state-of-the-art coarser resolution versions of the same model. The study examines the impact of spatial resolution on sea level projections using Max Planck Institute Earth System Model (MPI-ESM) simulations. Three different spatial resolutions are taken into consideration: low resolution (LR) of about 1.5°, high resolution (HR) of 0.4°, and eddy-rich resolution (ER) of 0.1°.
In the first part, the DSL changes for each configuration are analyzed by comparing the time mean of the SSP5-8.5 climate change scenario for the years 2080–2099 to the time mean of the historical simulation for the years 1995–2014. The ER model, which resolves mesoscale processes, projects a higher DSL increase in the North Atlantic sub-polar region, the Kuroshio region, and the Arctic Ocean compared with models with parameterized eddies (HR and LR). In addition, a smaller DSL increase is observed in the band at 40°S in the Southern Ocean, compared to HR and LR models. The differences between the two model categories, in these regions, can be attributed to alterations in regional circulation patterns. This study also revealed that large-scale DSL change patterns, such as dipoles in the North Atlantic and North Pacific and belt-like DSL change patterns in the Southern Ocean, are not resolution dependent. However, the finer details differ in the coarse resolution configurations from those in ER by either the magnitude or the location. Therefore, non-eddy-resolving studies can still be used to understand large-scale changes. Yet, eddy resolving studies are necessary for smaller-scale sea level change research, because future adaptations and mitigation measures will primarily be smaller-scale in nature.
The second part of the study uses prescribed identical surface forcing anomalies of heat, momentum, and freshwater fluxes to understand the mechanisms of the different responses of the ocean in various resolutions. The heat-flux perturbation causes a major fraction of North Atlantic sea-level change and when the ocean component is better resolved, the negative DSL change in the sub-polar region (southeast of Greenland) indicates a decrease in both magnitude and size. The sea-level decline is associated with an increased heat transport divergence that is caused by larger (smaller) northward heat transport at the northern (southern) boundary of the sub-polar region. Between the simulations, no significant differences in heat-flux-induced weakening of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) and the associated heat transport changes at the southern boundary exist but ER shows significantly lower changes at the northern boundary. These lower changes also yield an enhanced decrease in thermosteric sea level in the Eurasian basin of the Arctic and a smaller increase in thermosteric sea level in the GIN Seas in ER.
In parameterized simulations, surface freshwater perturbation results in an increase in thermosteric sea level south of 60ºS. This is attributed to the reduction in surface salinity, which increases the stability of the water column and inhibits deep convection. Consequently, heat transported by the circumpolar deep water accumulates at greater depths, resulting in a substantial thermal expansion of the water column. By contrast, the ER simulation does not show a significant thermosteric increase because the water column was already more strongly stratified in the control experiment state, yielding lower sensitivity.
In conclusion, this study sheds light on the complex nature of regional sea level change and emphasizes the necessity of high-resolution modeling to capture the dynamics of how eddy fluxes of heat and salt respond to climate change. Coarse resolution models with parameterized meso-scale eddy processes have limitations in accurately representing these dynamics. Eddy-resolving models have the capability to provide more accurate and reliable sea-level projections, which are essential for developing effective adaptation strategies to future sea-level rise
Sea-Level Rise by 2100
No full textISI Document Delivery No.: 274ZI Times Cited: 0 Cited Reference Count: 0 Church, John A. Clark, Peter U. Cazenave, Anny Gregory, Jonathan M. Jevrejeva, Svetlana Levermann, Anders Merrifield, Mark A. Milne, Glenn A. Nerem, R. Steven Nunn, Patrick D. Payne, Antony J. Pfeffer, W. Tad Stammer, Detlef Unnikrishnan, Alakkat S. payne, antony/A-8916-2008; Church, John/A-1541-2012 payne, antony/0000-0001-8825-8425; Church, John/0000-0002-7037-8194 0 AMER ASSOC ADVANCEMENT SCIENCE WASHINGTON SCIENC
Sea-Level Rise by 2100
No full textISI Document Delivery No.: 274ZI Times Cited: 0 Cited Reference Count: 0 Church, John A. Clark, Peter U. Cazenave, Anny Gregory, Jonathan M. Jevrejeva, Svetlana Levermann, Anders Merrifield, Mark A. Milne, Glenn A. Nerem, R. Steven Nunn, Patrick D. Payne, Antony J. Pfeffer, W. Tad Stammer, Detlef Unnikrishnan, Alakkat S. payne, antony/A-8916-2008; Church, John/A-1541-2012 payne, antony/0000-0001-8825-8425; Church, John/0000-0002-7037-8194 0 AMER ASSOC ADVANCEMENT SCIENCE WASHINGTON SCIENC
Synoptically Observation of the Interactions of Hydro and Morpho Dynamics
No full textIn der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren untersucht, mit dessen Hilfe die Wechselwirkungen von Hydro- und Morphodynamik in einem definierten Küstengebiet beobachtet werden können. Hierzu wird als Beobachtungsinstrument ein Dopplerradar genutzt, das zur flächendeckenden Erfassung von Bewegungen an der Wasseroberfläche in einem Polarkoordinatenraster mit hoher raum- zeitlicher Auflösung dient. Ein baugleiches Instrument wurde bereits für die Datennahme im Rahmen einer Diplomarbeit [SEDLACEK, 2007] genutzt, um erste vertikale Extrapolationen von Oberflächen - Strömungsmessungen zu diskutieren. Diese Arbeit stellt zwei Systemanordungen vor, einerseits die Variante auf einer mobilen Plattform (Schiff) und andererseits stationär (an Land). Das Radar kann auf verschiedenen Skalen sowohl nicht-periodische Strömungen als auch periodische Wellenbewegungen an der Wasseroberfläche mit hohen zeitlicher und örtlicher Variabilität vermessen. Insbesondere ist bei der Erfassung von Seegang in jeder Zelle des Rasters die Separation zwischen den regelmäßigen raum - zeitlichen Orbitalbewegungen und den Ereignissen aus einzelnen brechenden Wellen möglich. Somit wird eine Methode vorgestellt, die - ausgehend von der Matrix der gemessenen Bewegung der Wasseroberfläche resultierend aus Strömung und Seegang - diese Matrix als Bodenschubspannungen zum Meeresboden hin extrapoliert, wobei die jeweiligen Schubspannungen aus Seegang und Strömung getrennt betrachtet werden. Die notwendigen Voraussetzungen, die eine Extrapolation zulassen, werden anhand von Parametrisierungen der Grenzflächendynamik (Wasseroberfläche und Boden) diskutiert.
Die Messung der Strömung erfolgte von einem fahrenden Schiff aus und erfasst mit zwei feststehenden, vertikal polarisierenden Antennen im Transsectverfahren die räumliche Variabilität der Oberflächenbewegungen. Für die Abschätzung der Bodenschubspannung aus Strömungsdaten muss die Homogenität der Wassersäule gewährleistet sein. Es darf keinerlei Schichtung vorhanden sein. Dies wurde während jeder Messkampagne durch Messung der vertikalen Dichteprofile sichergestellt.
Weiterhin muss die vertikale Strömung des Wasserkörpers ein logarithmisches Profil aufweisen, damit eine parametrisierte Extrapolation zum Boden hin zulässig ist. Dies wurde durch parallele ADCP-Messungen mit ADCP (ADCP= Acoustic Doppler Current Profiler) sichergestellt.
Nach Erfüllung aller Voraussetzungen kann die Methode eingesetzt werden, um die Bodenschubspannung flächenhaft abschätzen zu können. Nachfolgend wurde untersucht, in wie weit die Methode anfällig gegenüber Messungenauigkeiten der einzelnen Parameter ist und in wie weit eine Parametrisierung überhaupt möglich ist. Es wird angenommen, dass eine flächenhafte Abschätzung dann möglich ist, wenn die Strömung die maßgeblichen Bedingungen lokal erfüllt. Die Untersuchung zeigt, dass die Ausbildung eines logarithmischen Profils stark von der Tidephase und den morphologischen Gegebenheiten abhängt. So ist die Strömungssituation um den Kenterpunkt diffus und eine logarithmische Form nicht nachzuweisen.
Die Messung des Seegangs erfolgte - anders als die Strömungsmessungen - mittels einer stationären Radarantenne, die an Land aufgebaut war. Brechende Wellen wurden über einen deutlichen Geschwindigkeitssprung im Dopplersignal separiert und für die vorliegende Untersuchung ausgeblendet.
Somit konnten die Bewegungen des regelmäßigen Seegangs zu Zeitreihen zusammengefügt und die Bodenschubspannung unter Seegang abgeschätzt werden. Es konnte gezeigt werden, dass der alleinige Einfluss der nicht-brechenden Wellen auf die Bodenschubspannung selbst unter Sturmbedingungen nicht ausreicht, um die Erosionserscheinungen im Messgebiet zu erklären. Es wird bei nachfolgenden Untersuchungen also das Augenmerk zusätzlich auf die georteten Brecherbereiche gerichtet werden müssen und ebenso auf die zeitgleich angreifende Strömung. Modellbetrachtungen der kombinierten Wirkung von Seegang und Strömungen zeigen, dass bei ausreichend starker Strömung Suspension und somit Sedimentabtrag stattfindet.In this thesis a method is analyzed to observe the interaction between hydro- and morpho dynamics in a defined coastal area. The observation method is based on a Doppler radar system, which is able to measure the movement of the water surface in a polar grid with resolution in space and time. A similar system was used for data acquisition in a diploma thesis [SEDLACEK, 2007] for discussing the vertical extrapolation of surface current measurements. This thesis presents two system variations, on the one hand the variation on a moving platform (vessel) and on the other hand the stationary variation (on shore). The radar is able to measure wave movements at the water surface or non-periodic currents with high variability in space and time. Particularly when the sea state is acquired in every cell of the grid, the separation between the orbital movements of the regular sea state and single breaking waves is possible. So a method is presented which is able to extrapolate a matrix to the sea floor as bottom shear stress at which the shear stress induced by waves and currents are considered separately. The matrix of the shear stress is based on the matrix of the acquired movements of the water surface due to sea state and currents. The assessments which allow an extrapolation are discussed on the basis of parameterizations of the boundary layer dynamics (water surface and bottom).
The data of the tidal current velocity were acquired from a moving vessel by two vertical polarized antennas with fixed angels. The system used the transect method to acquire the spatial variability of the surface Current. To estimate the bottom shear stress from the surface current velocity the water column has to be free of temperature or density layers. This was ensured by multiple measurements of the density profile during every measuring campaign.
The vertical current profiles have to show a logarithmic profile to make the extrapolation to the bottom possible. This was ensured by parallel ADCP-measurements (ADCP= Acoustic Doppler Current Profiler).
After all these conditions were compiled the method was used to estimate the bottom shear stress area-widely. Consecutively it was analyzed to what extend the method is prone to measuring inaccuracy of the separate parameters and to what extend parameterizations are possible. It was assumed that the area-wide estimation of the bottom shear stress is possible, when the current fulfills the significant conditions locally. Analysis has shown that the development of a logarithmic profile depends strongly on the tidal phase and the morphological situation. So the current situation around high or low tide is diffuse and the logarithmic shape is not detectable.
The measuring of the sea state is different from the current. The radar antenna was shore based and stationary. Breaking waves were separated by the clearly visible velocity difference and blanked out for this analysis.
So the movements of the regular sea state could be assembled to time series and the bottom shear stress due to sea state was assessed. With this method it was shown that the impact of the non-breaking waves, even under storm conditions, is not sufficient enough to explain the erosion phenomena in the defined area. Further observations have to focus on the detected breaker zones and the existing currents in the area additionally. Consideration of models like the DATA2 for the combined effect of waves and currents shows that a strong current is able to effect the situation to start suspension sediment dissipation
Sensitivität der ozeanischen Wärmeaufnahme gegenüber veränderlichem atmosphärischen Antrieb im Kontext der Klimavariabilität
No full textThe global warming hiatus, a period of slowdown increase in air surface temperature despite continued emissions of greenhouse gases, is a complex phenomenon that challenges our understanding of climate processes and feedback mechanisms. Potential explanations include deep ocean heat uptake and the influence of internal climate variability. However, rather than focusing on individual processes within specific basins, there is a need for a complete picture of the ocean mechanisms responsible for the hiatus.
This research used the adjoint model of the MIT General Circulation Model (MITgcm) to analyze how atmospheric forcing patterns drive changes in Vertical Heat Flux (VHF), focusing on the 10-year averaged global VHF into the volume from 300m depth to the bottom. Implementing the adjoint model to studying the hiatus is an innovative approach of our study. By examining the adjoint sensitivities, we identified optimal atmospheric forcing patterns for increasing VHF, revealing that intensified trade winds in the tropical Pacific and Atlantic, stronger westerlies in subtropical regions and the Southern Ocean, and enhanced meridional winds along major coastlines all contribute to VHF. Specific regional patterns of temperature-related forcings also play a role, with surface warming in higher latitudes and cooling in the tropics being effective for VHF increase.
Projecting historical forcing anomalies onto these sensitivity patterns allowed us to quantify the influence of different forcings on VHF during the period 1979-2008. Anomalies are computed with respect to the climatology of the period 1948-1968, characterized by small changes in the ocean heat content. The zonal wind, especially over the Southern Ocean, emerged as the dominant contributor, underscoring the role of adiabatic processes in deep ocean heat uptake. The Pacific Ocean also appeared as a significant region where atmospheric forcings have a major impact on VHF changes, followed by the Atlantic, particularly in areas like the Greenland and Labrador Seas, although with a relatively minor contribution.
The Interdecadal Pacific Oscillation (IPO) and the Southern Annular Mode (SAM) were found to be the primary drivers of changes in VHF among the climate modes analyzed, followed by the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO). While the IPO and AMO explain the entire contribution to VHF changes due to the variability of atmospheric forcings in the Pacific and Atlantic Oceans, respectively, the SAM accounts for only one-quarter of the zonal wind variability in the Southern Ocean, which is the main driver of VHF changes.
These climate modes drive distinct physical processes that could have influenced VHF. Strengthened easterlies in the tropical Pacific during the hiatus, including the fraction related to the IPO and La Niña, are thought to have caused the thermocline to shoal in the east, bringing cooler, deeper waters to the surface and lowering sea surface temperatures. In the central-western Pacific, these stronger easterlies lead to the accumulation of warm surface waters, which may have, in turn, deepened the thermocline. This deepening of the thermocline could have facilitated the downward transport of heat into the subsurface, potentially contributing to enhanced deep ocean heat uptake and the hiatus.
Similarly, the enhanced westerlies in the Southern Ocean, including the fraction related to the SAM, likely increased northward Ekman transport and Ekman pumping, drawing deeper, denser, cooler waters to the surface. This process could have strengthened the Deacon Cell and tilted the isopycnals, allowing warm surface waters to move downward along the slope and sequester heat in deeper ocean layers.
Increased downward VHF in the Atlantic Ocean, primarily in the Labrador Sea and Greenland Sea, was driven by warming in the surface layers. This surface warming was likely mixed into the deep ocean through the deep mixed layer left by previous strong convection periods, which may have enhanced deep ocean heat uptake and contributed to the global warming hiatus.
Although the contribution from Pacific climate modes is dominant, the Southern Ocean and the Atlantic also play substantial roles, underscoring the global nature of the processes involved in the hiatus. Notably, much of the Southern Ocean’s influence on heat uptake cannot be directly tied to the specific climate mode analyzed. Yet, the zonal wind anomalies in this region remain crucial in driving the global warming hiatus
Einfluss der dynamischer Konsistenz der Anfangsbedingungen mit dem Klimamodell auf die prädiktive Fähigkeit der Klimavorhersagen auf dekadischen Zeitskalen
No full textIn my thesis I investigated the influence of dynamical consistency of initial conditions with the model used to perform forecasts starting from this initial condition, on the predictive skill of climate predictions on decadal time scales. The investigation builds on the coupled global model “Coupled GCM for Earth Simulator” (CFES) developed by Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC). It is initialized in the ocean using a full state initialization strategy with two different initial fields: (1) oceanic initial conditions obtained through the same CFES coupled model using a 4-DVAR assimilation scheme (CDA: Coupled Data Assimilation) as provided by JAMSTEC; and (2) interpolated oceanic initial conditions obtained from the ocean-only GECCO2 Synthesis, while in the atmosphere initialized with bulk parameters controlling air-sea fluxes assimilated through CFES. Estimations on the performances of two differently initialized forecasts, i.e. CDA initialized hindcasts (CIH) and GECCO2 initialized hindcasts (GIH) through anomaly correlation coefficient (ACC) reveals that the forecast skill is better in the former than latter, with the most significant improvement of skill observed at the first lead year. For this specific model, improvements in SST predictive skill are especially obvious over the tropical Pacific, suggesting that the dynamical consistency of initial conditions can indeed improve the predictive skill of climate predictions at least in the first lead year. For longer lead times of 4-yr averages, a large decrease of SST predictive skill is observed almost everywhere for both CIH and GIH. This holds especially over the North Atlantic (NA) where previous studies indicate that predictive skill of SST is associated with the predictability of Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), with the latter leading the former several years. Our results indicate that significant predictive skill in terms of AMOC is obtained at the first lead year for both CIH and GIH. However, significant AMOC predictive skill in the subpolar region of North Atlantic is observed at lead yr 2-5 in CIH, but not in GIH. The poor predictive skill of NA SST is consistent with poor predictability of AMOC in our solutions.
To investigate to what extent the reduced predictive skill in the North Atlantic in our solution may result from relatively short hindcast runs, the performances of CIH and GIH are also evaluated against previous results from the Mittelfristige Klimaprognosen (MiKlip hereafter) project with Max-Planck-Institute Earth System Model (MPI-ESM), which are initialized with assimilated data through nudging MPI-ESM towards GECCO2. The comparison reveals that the MiKlip hindcasts of 1980-2006 outperforms GIH, while its performance is compatible with that of CIH. Comparison bwteen the performances of MiKlip hindcasts of 1980-2006 and that of 1961-2009 shows that a larger number of initialization dates reduces the threshold of significance level of predictive skill, due to larger verification period.
Looking into processes that lead to improved predictive skill in the tropical Pacific, the significant, and high SST predictive skill over the tropical Pacific in CIH indicates a good reproduction of El Niño events at lead year one. In contrast, GIH produces additional erroneous El Niño events, which may contribute to the poor predictive skill of SST over the tropical Pacific. During balanced states, a zonal momentum balance between the wind stress and pressure gradient force of the upper equatorial Pacific exists. GIH is initialized with interpolated GECCO2 ocean estimations and atmospheric conditions that result from the same coupled model as the model used in the forecasts. The differences between the initialized ocean and atmosphere modes cause incompatibilities to the coupled model, and lead to imbalance between the zonal wind stress and pressure gradient force over the equatorial Pacific. The reduced predictive skill of GIH in the Pacific equatorial region is therefore found to mainly related to dynamical imbalance between zonal wind stress and pressure gradient over the central Pacific. These imbalances in the central Pacific subsequently propagate eastwards as Kelvin waves. Further imbalance may result from the differences in topography between GECCO2 and the model system, and perturbations may give rise to propagating waves. Jointly, these imbalances are highly likely to lead to additional pseudo El Niño events in GIH, as well as the poor predictive skill over the tropical Pacific. Our results underpin the requirement of a momentum balance between zonal wind stress and pressure gradient force along the equatorial Pacific when initializing the model from any oceanic state. Initializing a coupled model with self-consistent initial conditions therefore improves the skill of decadal climate prediction in the tropical Pacific.In meiner Diplomarbeit habe ich den Einfluss, auf die prädiktive Fähigkeit der Klimavorhersagen auf dekadischen Zeitskalen, dynamischer Konsistenz der Anfangsbedingungen mit dem verwendet werden, um tatsächlich Prognosen des gekoppelten Klimasystems ausgehend von diesem Anfangszustand durchzuführen Modell. Die Untersuchung basiert auf der vollständig gekoppelten globalen Modell "Coupled GCM für Earth Simulator" (CFES) von Japan Agency for Marine Earth Science and Technology (JAMSTEC), die in den Ozean mit einem vollen Zustand Initialisierung Strategie mit zwei verschiedenen initialisiert wird entwickelt Anfangsfelder: (1) ozeanischen durch die gleiche CFES gekoppelt Modell mit einem 4-DBVARIANZ Assimilationsschema erhalten Anfangsbedingungen (CDA: gekoppelt Datenassimilation), wie von JAMSTEC vorgesehen ist; und (2) interpoliert ozeanischen vom Meer nur GECCO2 Synthese erhalten Anfangsbedingungen sowie Groß Parameter, die Luft und Meer Flüsse durch CFES als atmosphärischen Anfangsbedingungen für beide assimiliert. Die räumliche Verteilung der ACC für SST zeigt, dass die Vorhersagegüte ist besser bei der Initialisierung des CFES Modell mit CDA Anfangsbedingungen nicht mit GECCO2, mit den meisten signifikante Verbesserung der Fähigkeiten in der ersten Leitung Jahr beobachtet. Aus diesem bestimmten Modell sind Verbesserungen in SST prädiktive Fähigkeit insbesondere über den tropischen Pacific offensichtlich, was darauf hindeutet, dass die dynamische Kohärenz von Anfangsbedingungen kann in der Tat die prädiktive Fähigkeit der Klimavorhersagen zumindest in der ersten Leitung Jahr verbessern. Für längere Laufzeiten von 4-Jahresdurchschnitte wird ein großer Rückgang von SST prädiktiven Fähigkeiten fast überall sowohl für CIH und GIH beobachtet. Dies gilt vor allem über dem Nordatlantik (NA), wo frühere Studien zeigen, dass vorausschauende Fähigkeiten des SST mit der Vorhersagbarkeit der Ozeanzirkulation im Atlantik (AMOC) verbunden sind, wobei letztere führt die ehemaligen mehreren Jahren. Unsere Ergebnisse zeigen, dass signifikante prädiktive Fähigkeiten in Bezug auf AMOC an der ersten Führung Jahr sowohl für CIH und GIH erhalten, während bei längeren Liefer Jahren schlechte Vorhersagemann subpolaren Region Nordatlantik beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Armen prädiktive Fähigkeit des NA SST ist teilweise auf schlechte Vorhersagbarkeit AMOC in unsere Lösungen.
Die Leistungen der CIH und GIH auch gegen frühere Ergebnisse aus dem Projekt Mittelfristige Klimaprognosen (MiKlip unten) mit Max-Planck-Institut Erdsystemmodells (MPI-ESM), der mit assimilierten Daten durch Antippen MPI-ESM gegen GECCO2 initialisiert werden ausgewertet. Der Vergleich zeigt, dass die MiKlip hindcasts von 1980-2006 übertrifft GIH, während seine Leistung mit der des CIH-kompatibel. Weitere Erkenntnisse bei jedem Startdatum ergeben sich Vorhersagen Geschick durch die Verwendung von Ensemble bedeuten, anstatt individuelle Umsetzung.
Die deutliche und hoch SST prädiktiven Fähigkeiten über den tropischen Pazifik in CIH zeigt eine gute Wiedergabe von El-Niño-Ereignissen an Blei Jahr ein. Im Gegensatz dazu produziert GIH weitere fehlerhafte El-Niño-Ereignisse, die für die Armen prädiktive Fähigkeit der SST über den tropischen Pazifik beitragen können. Während ausgewogene Staaten besteht eine zonale Impulsbilanz zwischen Wind Stress und Druckgradientkraft der oberen äquatorialen Pazifik. GIH mit interpolierten GECCO2 Ozean Schätzungen und atmosphärischen Bedingungen, die von derselben gekoppelt Modell als in den Prognosen verwendete Modell führen initialisiert. Die Unterschiede zwischen den initialisiert Ozean und Atmosphäre Modi Inkompatibilitäten mit dem gekoppelten Modell, und führen zu Ungleichgewicht zwischen der zonalen Wind Stress und Druckgradientkraft über den äquatorialen Pazifik. Die reduzierte prädiktive Fähigkeit des GIH im Pazifik Äquatorregion wird daher festgestellt, dass vor allem auf dynamische Ungleichgewicht zwischen Zonalwind Stress und Druckgefälle über dem zentralen Pazifischen zusammen. Diese Ungleichgewichte in der zentralen Pazifik anschließend nach Osten ausbreiten als Kelvin-Wellen. Weitere Ungleichgewicht kann sich aus den Unterschieden in der Topographie zwischen GECCO2 und des Modellsystems zur Folge haben, und Störungen können zu ausbreitende Wellen geben. Gemeinsam sind diese Ungleichgewichte sehr wahrscheinlich zusätzliche Pseudo El-Niño-Ereignisse in GIH sowie die Armen prädiktiven Fähigkeiten über den tropischen Pazifik führen. Unsere Ergebnisse untermauern die Forderung nach einer Impulsbilanz zwischen Zonalwind Stress und Druckgradientkraft entlang der äquatorialen Pazifik bei der Initialisierung des Modells von jedem ozeanischen Staat. Initialisieren einer gekoppelten Modell mit selbstkonsistenten Ausgangsbedingungen verbessert daher die Fähigkeit des dekadischen Klimavorhersage im tropischen Pazifik
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