Atlan&c Meridional Overturning Circula&on (AMOC) and - - PowerPoint PPT Presentation

Atlan&c ¡Meridional ¡Overturning ¡Circula&on ¡ (AMOC) ¡and ¡its ¡Connec&on ¡to ¡Atlan&c ¡Mul&-­‑ Decadal ¡Variability ¡(AMV) ¡

Gokhan ¡Danabasoglu ¡

Na&onal ¡Center ¡for ¡Atmospheric ¡Research, ¡Boulder, ¡CO, ¡USA ¡

OUTLINE ¡

• Brief ¡review ¡of ¡AMOC, ¡its ¡role ¡in ¡climate ¡and ¡variability, ¡

AMV, ¡and ¡AMOC ¡– ¡AMV ¡connec&ons ¡ ¡

• Robust ¡and ¡non-­‑robust ¡elements ¡of ¡simulated ¡AMOC ¡

variability, ¡focusing ¡on ¡impacts ¡of ¡ocean ¡model ¡ parameteriza&ons ¡on ¡AMOC ¡in ¡the ¡Community ¡Earth ¡ System ¡Model ¡(CESM) ¡ ¡

Sv: ¡Sverdrup ¡= ¡106 ¡m3 ¡s-­‑1 ¡

Atlan&c ¡Meridional ¡Overturning ¡Circula&on ¡(AMOC) ¡in ¡Models ¡

CESM ¡

Zhang ¡& ¡Wang ¡(2013) ¡

Long-­‑term ¡mean ¡from ¡CMIP5 ¡historical ¡ simula&ons ¡

AMOC ¡at ¡26.5oN ¡ (2004-­‑2007) ¡from ¡ forced ¡ocean ¡ simula&ons ¡(CORE-­‑II ¡ simula&ons) ¡

Danabasoglu ¡et ¡al. ¡(2014) ¡

AMOC ¡EOF1 ¡from ¡CORE-­‑II ¡

Danabasoglu ¡et ¡al. ¡(2016) ¡

AMV ¡in ¡CMIP5 ¡Historical ¡Simula&ons ¡

Zhang ¡& ¡Wang ¡(2013) ¡

• C/SD ¡
• A. ¡Phillips ¡(NCAR ¡Climate ¡Data ¡Guide) ¡ ¡

SST ¡regression ¡on ¡to ¡AMV ¡

Impacts ¡of ¡AMV ¡include ¡…. ¡

• Indian ¡and ¡Sahel ¡rainfall ¡(e.g., ¡Knight ¡et ¡al. ¡2006; ¡Zhang ¡& ¡Delworth ¡2006) ¡
• Atlan&c ¡hurricanes ¡(e.g., ¡Goldenberg ¡et ¡al. ¡2001; ¡Trenberth ¡& ¡Shea ¡2006; ¡

Zhang ¡& ¡Delworth ¡2006) ¡

• North ¡Atlan&c ¡and ¡European ¡climate ¡(e.g., ¡Enfield ¡et ¡al. ¡2001; ¡Sueon ¡& ¡

Hodson ¡2005; ¡Sueon ¡& ¡Dong ¡2012), ¡

• PDV ¡and ¡NAO ¡(e.g., ¡Zhang ¡& ¡Delworth ¡2007; ¡Frankignoul ¡et ¡al. ¡2013), ¡
• Global ¡temperatures, ¡hiatus ¡(e.g., ¡Chen ¡& ¡Tung ¡2014; ¡Guan ¡et ¡al. ¡2015), ¡
• Arc&c ¡sea-­‑ice ¡and ¡Greenland ¡ice ¡sheets ¡(e.g., ¡Yeager ¡et ¡al. ¡2016; ¡Straneo ¡& ¡

Heimbach ¡2013) ¡

• Atmospheric ¡blocking ¡events ¡(e.g., ¡Hakkinen ¡et ¡al. ¡2011) ¡
• ENSO; ¡Mansoons; ¡…… ¡
• Idealized ¡AMV ¡experiments ¡(e.g., ¡Ruprich-­‑Robert ¡et ¡al. ¡2016; ¡see ¡Rym ¡

Msadek’s ¡talk) ¡ ¡

AMV ¡and ¡AMOC ¡from ¡a ¡CESM ¡Control ¡Simula&on ¡

What ¡Drives ¡AMV? ¡

• Significant ¡roles ¡for ¡natural ¡volcanic ¡erup&ons, ¡solar ¡variability ¡

(e.g., ¡Oeera ¡et ¡al. ¡2010), ¡and ¡anthropogenic ¡aerosols ¡(e.g., ¡Booth ¡ et ¡al. ¡2012) ¡– ¡but ¡the ¡role ¡of ¡anthropogenic ¡forcings ¡in ¡AMV ¡ variability ¡is ¡ques&oned ¡(e.g., ¡Zhang ¡et ¡al. ¡2013) ¡

• No ¡significant ¡role ¡for ¡AMOC ¡/ ¡ocean ¡dynamics ¡(Clement ¡et ¡al. ¡

2015) ¡ ¡

• … ¡
• Substan&al ¡body ¡of ¡evidence ¡from ¡coupled ¡and ¡forced ¡ocean ¡

hindcast ¡simula&ons ¡suggests ¡that ¡intrinsic ¡variability ¡in ¡AMOC ¡– ¡ through ¡its ¡associated ¡heat ¡transports ¡– ¡is ¡a ¡major ¡driver ¡of ¡AMV ¡ ¡

¡

NAO ¡is ¡usually ¡implicated ¡in ¡crea&ng ¡the ¡northern ¡North ¡Atlan&c ¡ (usually ¡in ¡the ¡Labrador ¡Sea) ¡density ¡anomalies ¡that ¡lead ¡to ¡AMOC ¡ variability ¡

Based ¡on ¡monthly-­‑mean ¡sea-­‑level ¡records ¡from ¡&de ¡gauges ¡

Observa&onal ¡Evidence ¡for ¡Link ¡Between ¡Ocean ¡Circula&on ¡and ¡AMV ¡

McCarthy ¡et ¡al. ¡(2015) ¡

SL ¡index ¡ Tanom ¡ NAO ¡

Average ¡upper-­‑ocean ¡(0-­‑500 ¡m) ¡temperature ¡ anomalies ¡with ¡respect ¡to ¡1958-­‑2010 ¡ Tanom: ¡0-­‑500 ¡m; ¡40o-­‑60oN ¡

Observa&onal ¡Evidence ¡for ¡AMV ¡Influence ¡on ¡Surface ¡Turbulent ¡ Heat ¡Fluxes ¡(STHF) ¡

Gulev ¡et ¡al. ¡(2013) ¡

Based ¡on ¡VOS ¡reports ¡from ¡the ¡ Interna&onal ¡Comprehensive ¡Ocean–Atmosphere ¡ Data ¡Set ¡(ICOADS, ¡version ¡2.5) ¡for ¡1880-­‑2007 ¡

AMV ¡vs. ¡STHF ¡correla&ons ¡ ¡

Low ¡frequency ¡ High ¡frequency ¡

CESM1 ¡

GFDL ¡CM2.1 ¡ ¡

Msadek ¡et ¡al. ¡(2010) ¡

CCSM3 ¡& ¡CCSM4 ¡ ¡

Danabasoglu ¡(2008); ¡Danabasoglu ¡et ¡al. ¡(2014) ¡

ECHAM5/MPI-­‑OM ¡

Jungclaus ¡et ¡al. ¡(2005) ¡

AMOC ¡

AMOC ¡Index ¡Time ¡Series ¡

• In ¡the ¡absence ¡of ¡long, ¡con&nuous, ¡and ¡sufficient ¡observa&ons, ¡models ¡

– ¡both ¡coupled ¡and ¡forced ¡hindcast ¡ocean ¡simula&ons ¡– ¡remain ¡as ¡ essen&al ¡tools ¡to ¡advance ¡our ¡mechanis&c ¡/ ¡process ¡understanding ¡of ¡ climate ¡variability ¡that ¡would ¡improve ¡climate ¡predic&on ¡skill ¡and ¡ capabili&es. ¡ ¡

• There ¡are ¡many ¡non-­‑robust ¡aspects ¡of ¡AMOC ¡variability ¡and ¡

mechanisms ¡with ¡substan&al ¡differences ¡among ¡coupled ¡models ¡ (mul&-­‑model ¡framework) ¡…… ¡

• It ¡is ¡important ¡that ¡we ¡understand ¡how ¡AMOC ¡variability ¡and ¡

mechanisms ¡are ¡represented ¡in ¡models ¡and ¡iden&fy ¡robust ¡elements. ¡

¡ ¡

A ¡systema&c ¡assessment ¡of ¡the ¡impacts ¡of ¡several ¡ocean ¡model ¡ parameter ¡choices ¡on ¡AMOC ¡characteris&cs ¡in ¡CESM ¡with ¡the ¡primary ¡ goal ¡of ¡iden&fying ¡both ¡robust ¡and ¡non-­‑robust ¡elements ¡of ¡AMOC ¡ variability ¡and ¡mechanisms….. ¡(single-­‑model ¡framework) ¡ ¡

Ver&cal ¡mixing ¡parameteriza&on: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Reduce ¡internal ¡background ¡mixing ¡from ¡0.17x10-­‑4 ¡to ¡0.10x10-­‑4 ¡m2 ¡s-­‑1 ¡

¡

Submesoscale ¡mixing ¡parameteriza&on: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡The ¡circula&on ¡is ¡inversely ¡propor&onal ¡to ¡width ¡of ¡mixed ¡layer ¡fronts, ¡L, ¡ but ¡no ¡guidance ¡on ¡L ¡except ¡that ¡0.2 ¡< ¡L ¡< ¡5 ¡km. ¡Reduce ¡L ¡from ¡5 ¡to ¡3.33 ¡

• km. ¡

¡

Mesoscale ¡mixing ¡parameteriza&on: ¡ ¡

• Increase ¡deep ¡ocean ¡values ¡of ¡isopycnal ¡and ¡thickness ¡diffusivi&es ¡from ¡

300 ¡to ¡600 ¡m2 ¡s-­‑1 ¡

• Reduce ¡the ¡boundary ¡layer ¡/ ¡upper ¡ocean ¡isopycnal ¡and ¡thickness ¡

diffusivi&es ¡from ¡3000 ¡to ¡2000 ¡m2 ¡s-­‑1 ¡

¡

Horizontal ¡viscosity ¡parameteriza&on: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Reduce ¡the ¡interior ¡viscosi&es ¡from ¡600 ¡to ¡300 ¡m2 ¡s-­‑1 ¡ ¡

¡

Atmospheric ¡ini&al ¡condi&on ¡perturba&ons: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Round-­‑off ¡level ¡perturba&on ¡of ¡ini&al ¡temperature ¡field ¡

Experiments ¡with ¡CESM ¡

dots: ¡95% ¡ ¡ ¡ squares: ¡90% ¡ ¡

Year ¡ Year ¡ Year ¡ VM ¡ SM ¡ MDO ¡ HV ¡ MUO ¡

AMOC ¡Index ¡Power ¡Spectra ¡

95% ¡

March-­‑mean ¡ boundary ¡ layer ¡depth ¡ (BLD) ¡ Upper-­‑ocean ¡ density ¡ Subpolar ¡ gyre ¡ transport ¡ (SPG) ¡ North ¡ Atlan&c ¡ Oscilla&on ¡ (NAO) ¡

BLD ¡

AMOC ¡Index ¡Correla&ons ¡with ¡…. ¡

AMOC ¡leads ¡for ¡+ve ¡lags ¡

AMOC ¡leads ¡ for ¡+ve ¡lags ¡

Full ¡density ¡ Temperature ¡ contribu&on ¡ Salinity ¡ contribu&on ¡

Labrador ¡Sea ¡Upper-­‑Ocean ¡Density ¡Regressions ¡on ¡to ¡AMOC ¡Index ¡

Summary ¡

• Substan&al ¡body ¡of ¡evidence ¡from ¡coupled ¡and ¡forced ¡ocean ¡hindcast ¡simula&ons ¡

suggests ¡that ¡variability ¡in ¡AMOC ¡– ¡through ¡its ¡associated ¡heat ¡transports ¡– ¡is ¡a ¡ major ¡driver ¡of ¡AMV ¡ ¡

• NAO ¡is ¡implicated ¡in ¡crea&ng ¡the ¡northern ¡North ¡Atlan&c ¡density ¡anomalies ¡that ¡

lead ¡to ¡AMOC ¡variability ¡

• In ¡our ¡single-­‑model ¡framework, ¡both ¡the ¡amplitude ¡and ¡&me ¡scale ¡of ¡AMOC ¡

variability ¡differ ¡considerably ¡among ¡the ¡CESM ¡experiments ¡with ¡different ¡ocean ¡ model ¡parameter ¡choices ¡ ¡

• There ¡are ¡also ¡differences ¡in ¡details ¡of ¡how ¡the ¡density ¡anomalies ¡leading ¡to ¡AMOC ¡

changes ¡emerge ¡ Some ¡robust ¡elements ¡of ¡AMOC ¡variability ¡mechanism ¡include: ¡ ¡ ¡i) ¡The ¡Labrador ¡Sea ¡is ¡the ¡key ¡region ¡with ¡upper-­‑ocean ¡density ¡and ¡boundary ¡layer ¡ anomalies ¡preceding ¡AMOC ¡anomalies; ¡ ii) ¡Auer ¡AMOC ¡intensifica&on, ¡subsequent ¡weakening ¡is ¡due ¡to ¡advec&on ¡of ¡posi&ve ¡ temperature ¡anomalies ¡into ¡the ¡model’s ¡deep ¡water ¡forma&on ¡region; ¡ ¡ iii) ¡Persistent ¡NAO+ ¡plays ¡a ¡significant ¡role ¡in ¡sevng ¡up ¡the ¡density ¡anomalies ¡that ¡ lead ¡to ¡AMOC ¡intensifica&on ¡via ¡surface ¡buoyancy ¡fluxes.

Challenges ¡

• Iden&fying ¡robust ¡and ¡non-­‑robust ¡

elements ¡of ¡AMOC ¡variability ¡and ¡ mechanisms ¡

• Developing ¡a ¡more ¡comprehensive ¡

understanding ¡of ¡strengths ¡and ¡ weaknesses ¡of ¡exis&ng ¡global ¡ocean ¡ reanalysis ¡and ¡hindcast ¡products ¡

• Iden&fying ¡contribu&ons ¡to ¡/ ¡mechanisms ¡

for ¡AMV ¡and ¡its ¡spa&al ¡structure ¡

• Expansion ¡and ¡con&nuity ¡of ¡observa&ons ¡ ¡
• Addressing ¡persistent ¡model ¡biases ¡
• Improving ¡model ¡representa&on ¡of ¡physics ¡

and ¡incorpora&on ¡of ¡missing ¡physics ¡

• Expanding ¡use ¡of ¡eddy-­‑resolving ¡ocean ¡

models ¡and ¡addressing ¡emerging ¡ challenges ¡

• … ¡ ¡

The ¡specific ¡OSNAP ¡objec&ves ¡are: ¡

• Quan&fy ¡the ¡subpolar ¡AMOC ¡and ¡its ¡intra-­‑seasonal ¡to ¡

interannual ¡variability ¡via ¡overturning ¡metrics, ¡including ¡ associated ¡fluxes ¡of ¡heat ¡and ¡freshwater. ¡

• Determine ¡the ¡pathways ¡of ¡overflow ¡waters ¡in ¡the ¡NASPG ¡

to ¡inves&gate ¡the ¡connec&vity ¡of ¡the ¡deep ¡boundary ¡ current ¡system. ¡

• Relate ¡AMOC ¡variability ¡to ¡deepwater ¡mass ¡variability ¡and ¡

basin-­‑scale ¡wind ¡forcing. ¡

• Determine ¡the ¡nature ¡and ¡degree ¡of ¡the ¡subpolar-­‑

subtropical ¡AMOC ¡connec&vity. ¡

• Determine ¡from ¡new ¡OSNAP ¡measurements ¡the ¡

configura&on ¡of ¡an ¡op&mally ¡efficient ¡long-­‑term ¡AMOC ¡ monitoring ¡system ¡in ¡the ¡NASPG. ¡ ¡

OSNAP: ¡Overturning ¡in ¡the ¡Subpolar ¡North ¡Atlan&c ¡

Lozier ¡et ¡al. ¡ ¡

The ¡en&re ¡OSNAP ¡observing ¡system ¡was ¡deployed ¡in ¡summer ¡2014. ¡The ¡first ¡data ¡returns ¡from ¡the ¡moored ¡instrumenta&on ¡ are ¡expected ¡in ¡summer ¡2015, ¡although ¡the ¡data ¡from ¡the ¡full ¡array ¡will ¡not ¡be ¡recovered ¡&ll ¡summer ¡2016. ¡ ¡

Atlan&c ¡Mul&-­‑Decadal ¡Variability ¡(AMV) ¡

• A. ¡Phillips ¡(NCAR ¡Climate ¡Data ¡Guide) ¡ ¡

SST ¡regression ¡on ¡to ¡AMV ¡

• C/SD ¡

AMV ¡index: ¡Spa&ally ¡averaged ¡North ¡ Atlan&c ¡SSTs ¡(0o-­‑80oW, ¡0o-­‑60oN), ¡ detrended ¡following ¡Trenberth ¡& ¡Shea ¡ (2006), ¡and ¡low-­‑pass ¡filtered ¡(10-­‑year); ¡ intrinsic ¡variability ¡

• C ¡

e.g., ¡Kushnir ¡(1994); ¡Schlesinger ¡& ¡Ramankuey ¡1994; ¡Delworth ¡& ¡Mann ¡2000; ¡Kerr ¡2000 ¡

AMOC ¡and ¡Atlan&c ¡Meridional ¡Heat ¡Transport ¡(MHT) ¡

Regressions ¡of ¡overturning ¡and ¡gyre ¡components ¡of ¡MHT ¡onto ¡AMOC ¡at ¡26.5oN ¡

Msadek ¡et ¡al. ¡(2013) ¡

Experiments ¡with ¡CESM ¡

• Nominal ¡1o ¡horizontal ¡resolu&on ¡component ¡models, ¡
• Based ¡on ¡a ¡2200-­‑year ¡pre-­‑industrial ¡control ¡simula&on ¡(LE) ¡

Time ¡(yr) ¡ 0 ¡ 402 ¡ 1001 ¡ ~2200 ¡ Large ¡Ensemble ¡(LE) ¡ ~1400 ¡ Last ¡Millennium ¡(LM) ¡ VM ¡(001) ¡ SM ¡(002) ¡ MDO ¡(003) ¡ HV ¡(004) ¡ MUO ¡(006) ¡ IC ¡(009) ¡ IC ¡(008) ¡ IC ¡(005) ¡ 600 ¡yrs ¡long ¡

Annual-­‑mean ¡output ¡unless ¡otherwise ¡indicated; ¡ AMOC ¡index: ¡10-­‑year ¡low-­‑pass ¡filtered ¡maximum ¡transport ¡at ¡45°N ¡

AMOC ¡Mean ¡

in ¡Sv ¡

VM ¡ SM ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡MDO ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡HV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡MUO ¡

Upper-­‑Ocean ¡Density ¡(color) ¡and ¡March-­‑Mean ¡boundary ¡Layer ¡ Depth ¡Regressions ¡on ¡to ¡AMOC ¡index ¡(AMOC ¡lags ¡by ¡3 ¡years) ¡

CI ¡= ¡25 ¡m ¡/ ¡s.d. ¡ from ¡LE ¡

What ¡Drives ¡AMV? ¡

• Significant ¡roles ¡for ¡natural ¡volcanic ¡erup&ons, ¡solar ¡variability ¡(e.g., ¡Oeera ¡

et ¡al. ¡2010), ¡and ¡anthropogenic ¡aerosols ¡(e.g., ¡Booth ¡et ¡al. ¡2012) ¡– ¡but ¡the ¡ role ¡of ¡anthropogenic ¡forcings ¡in ¡AMV ¡variability ¡is ¡ques&oned ¡(e.g., ¡Zhang ¡ et ¡al. ¡2013) ¡

• No ¡significant ¡role ¡for ¡AMOC ¡/ ¡ocean ¡dynamics ¡(Clement ¡et ¡al. ¡2015) ¡ ¡
• … ¡
• Substan&al ¡body ¡of ¡evidence ¡from ¡

coupled ¡and ¡forced ¡ocean ¡hindcast ¡ simula&ons ¡suggests ¡that ¡intrinsic ¡ variability ¡in ¡AMOC ¡– ¡through ¡its ¡ associated ¡heat ¡transports ¡– ¡is ¡a ¡major ¡ driver ¡of ¡AMV ¡ ¡

¡

NAO ¡is ¡implicated ¡in ¡crea&ng ¡the ¡ northern ¡North ¡Atlan&c ¡density ¡ anomalies ¡that ¡lead ¡to ¡AMOC ¡variability ¡

Hindcast ¡ocean ¡simula&on ¡with ¡CESM ¡

Yeager ¡& ¡Danabasoglu ¡(2014) ¡