Arktik Tatlı Suyun Arktik Salınımına Tepkisi

Arktik Okyanusu'nun tatlı su içeriği (FWC), iklim ve biyoloji ile geniş bir ilgiye sahip Arktik Okyanusu'nun fiziksel bir özelliği olan tabakalaşma ile yakından bağlantılıdır.

Burada, Coupled Model Intercomparison Project'in 5. aşamasından 12 farklı kontrol-çalıştırma simülasyonunda atmosferik sirkülasyon ile Arktik FWC arasındaki ilişkiyi araştırıyoruz

Çoklu gecikmeli regresyon kullanarak, Arktik FWC'nin lineer tepkisini Arktik Salınımın (AO) gücündeki bir adım değişikliğine ve Arktik etki alanı üzerindeki SLP değişkenliğinin ikinci ve üçüncü ortogonal modlarına izole etmeye çalışıyoruz.

Modeller arasında, daha antisiklonik bir AO'ya bir adım değişikliğinin, Arktik FWC'de bir e ile bir artışa yol açtığı konusunda geniş bir fikir birliği vardır.-5–10 yıllık katlanma süresi ölçeği. Bununla birlikte, modeller, SLP değişkenliğine doğrusal bir yanıtın FWC değişikliklerini açıklayabilme derecesi açısından büyük ölçüde farklılık gösterir. FWC değişkenliğinin ortalama durumları, zaman ölçekleri ve büyüklükleri büyük ölçüde benzer olsa da, değişkenliğin fiziksel kökenleri modeller arasında oldukça tutarsızdır.

Hangi yanıt fonksiyonlarının modeller içindeki nedensel, fiziksel ilişkileri temsil etme olasılığının en yüksek olduğunu ve hangilerinin regresyon eseri olduğunu belirlemek için Monte Carlo yaklaşımını içeren bir sağlamlık testi gerçekleştiriyoruz. SLP yeniden analiz verileriyle evrişim, en sağlam dört yanıt fonksiyonunun, 1990'ların sonları ve 2000'lerin sonlarında gözlemlenen FWC birikimini yeniden üretme konusunda bir miktar beceriye sahip olduğunu göstermektedir; bu, bu değişikliğin büyük ölçüde rüzgar kaynaklı olduğu fikriyle tutarlıdır.

Kuzey Kutbu'nun fiziksel dinamikleri atmosferik, okyanus ve kriyosferik süreçleri kapsar; okyanus yüzeyinde birbirine bağlı sistemler.

Arktik Okyanusu tuzlulukla tabakalaşmıştır - bu sözde β okyanustur ( Carmack 2007 ) - ve bu nedenle Kuzey Kutbu'ndaki tatlı su bu bağlantılar üzerinde önemli bir kontrolü temsil eder, çünkü bolluğu okyanus yüzeyi ile göreceli olarak arasındaki bağlantıları düzenler. altta ılık Atlantik Suyu. Tatlı su rezervuarındaki değişiklikler ve dolayısıyla tabakalaşma, deniz buzu stabilitesi ve büyümesi, dikey ısı akışları, besinlerin karıştırılması ve karbon döngüsü üzerinde etkilere sahiptir ve iklim ve biyoloji için geniş dolaylı etkilere sahiptir genel bir bakış için Kuzey Kutbu iklim sisteminin gelecekteki evrimini anlamaya yönelik herhangi bir girişim, tatlı su değişkenliğini yöneten süreçlerin geliştirilmiş bir sunumundan faydalanacaktır ( Lique ve diğerleri 2016 ). Ayrıca, Kuzey Kutbu tatlı su içeriğindeki (FWC) değişiklikler, tatlı su tedariki ve ihracatındaki değişikliklerle yakından ilişkili olmalıdır, ancak bu bağlantıların gözlemlerde tespit edilmesi zor olmuştur .

Kuzey Atlantik'e gelişmiş tatlı su ihracatı, derin su oluşumu bölgelerindeki tuzluluk ve tabakalaşmayı değiştirerek Atlantik meridyen devrilme dolaşımını (AMOC) etkileme potansiyeline sahiptir ve / veya subpolar dönütteki sınır akımları boyunca yoğunlukların değiştirilmesi

Arktik Okyanusu, küresel hidrolojik döngünün kuzey düğümündeki konumunun bir sonucu olarak nispeten taze bir durumu korur . Avrasya ve Kuzey Amerika nehirlerinden gelen tatlı su akışları, tatlı Pasifik Suyunun sığ Bering Boğazı yoluyla akışı ve yağış ve buharlaşma dengesizliği, yaklaşık 10.000 km ³ yıl ⁻¹ net bir oranda Kuzey Kutbu'na tatlı su sağlar .

Arktik Okyanusu ve Kanada Arktik Takımadaları'nın (CAA) tatlı su rezervuarı hem sıvı (~ 100.000 km ³ ) hem de katı (~ 14.000 km ³ ) bileşenlerden oluşur ( Haine et al.2015), Kuzey Kutbu havzaları, raf bölgeleri ve CAA'ya eşit olmayan bir şekilde dağılmıştır. Hem katı hem de sıvı bileşenler, belirgin bir mevsimsel döngü gösterir ve hem sıvı tatlı suyun bölgesel dağılımı hem de toplam sıvı Arctic FWC, yıllar arası ve on yıllık zaman ölçeklerinde önemli ölçüde farklılık gösterir .

Simüle edilmiş FWC değişkenliğini iyileştirmenin bir ön koşulu, mevcut simülasyonları değerlendirme ve değerlendirme yeteneğidir. Aslında, iklim modellerinde Arktik FWC rezervuarının ortalama durumunu ve değişkenliğini karşılaştırmanın ötesine geçmeli ve itici güçler ile tepkiler arasındaki fiziksel ilişkileri değerlendirmeliyiz.

Burada, Birleşik Model Intercomparison Projesi'nin (CMIP5) 5. aşamasından 12 farklı model simülasyonunda Arktik FWC'nin doğal değişkenliğinde önemli bir mekanizma olarak kabul edilen şeyi izole ediyoruz: Arktik FWC'nin büyük modellerin baskın modellerinde değişikliklere tepkisi - Kuzey Kutbu bölgesi üzerinde ölçek atmosferik sirkülasyon. Bu atmosferik sirkülasyon kalıpları, deniz seviyesi basınç (SLP) değişkenliğinin önde gelen modları tarafından tanımlanmaktadır. 2. bölümdeKullandığımız zaman serilerini tanımlıyoruz ve her modelde ilgili klimatolojiye arka plan sağlıyoruz.

Rüzgarların Arktik Okyanusu yüzeyinde bulunan tatlı suyun sıvı veya deniz buzu olarak yeniden dağıtımını ve ihracatını yönlendirebileceği bir süredir anlaşılmıştır Atmosferik sirkülasyon, içeri akan Pasifik Sularının yollarını ve akışlarını ve Sibirya raflarındaki düşük tuzlu suları ve daha fazlasını etkiler saline Atlantic Waters .

Bu bağlantılara deniz buzu örtüsü aracılık etmektedir ve son on yıllardaki düşüşü, (daha taze) Amerika havzası ile Avrasya havzası arasındaki artan tuzluluk karşıtlığına katkıda bulunmuş olabilir .

Kuzey Kutbu'nda sıvı tatlı suyun yeniden dağıtılması, haloklin eğilmesi yoluyla jeostrofik sirkülasyonun sağlanması için önemlidir; Bu dinamikler belki de en açık olanı, Arktik Okyanusu'ndaki en büyük FWC rezervuarı olan Beaufort Gyre'de .

Kuzey Yarımküre'deki ekstratropik deniz seviyesi basınç değişkenliğinin önde gelen modu olarak Arktik Salınımı (AO; Thompson ve Wallace 1998 ), büyük ölçekli rüzgar kuvvetindeki baskın değişkenliği yakalar ve bu nedenle atmosferik arasındaki nedensel ilişkilerin belirlenmesinde doğal bir başlangıç noktasını temsil eder. ve okyanus / kriyosferik değişkenlik. Nitekim, birçok çalışma, AO'nun deniz buzu sürüklenme modelleri ve yüzey jeostrofik sirkülasyon üzerindeki etkisini belirlemeye odaklanmıştır .

Bununla birlikte, gözlenen Arktik FWC değişikliklerini atmosferik değişkenlikle ilişkilendirmede önemli zorluklar yaşanmıştır .

Bu zorluğun çoğu, okyanusun atmosferik bir karışıklığa yavaş tepki vermesinden kaynaklanıyor. Teori ve idealleştirilmiş modelleme, Arktik Okyanusu'ndaki FWC'nin veya en azından en büyük rezervuarı Beaufort Gyre'de, geçmiş atmosferik zorlamanın çok yıl ila on yıllık bir hafızasını taşıdığını göstermektedir

Belleğin önemli olduğu bir ilişkiyi uygun şekilde yakalamak için doğrusal yanıt teorisini kullanırız. ,

3. bölümde, her modelin endüstri öncesi kontrol çalışmasını kullanarak, Arctic FWC'nin AO'nun gücündeki 1 standart sapma değişikliğine ve SLP değişkenliğinin ikinci ve üçüncü ortogonal modlarına doğrusal tepkisini izole ediyoruz. Orijinal SLP ile türetilmiş doğrusal yanıt fonksiyonlarının evrişimi yoluyla, her modelin FWC zaman serisini yeniden oluşturmaya çalışıyoruz. Türetilen ilişkilerin fiziksel olarak sağlam olduğu ölçüde, hem FWC-SLP ilişkisinin doğasını hem de her modeldeki genel FWC değişkenliğini belirlemedeki önemini değerlendirebiliriz. Bu karşılıklı karşılaştırma, makalenin ilk amacıdır.

Makalenin ikinci amacı, regresyon temelli bir teknikle ilişkili uyarıları araştırmak ve bunun değerlendirilmesi için bir teknik oluşturmaktır. In bölümünde 3b bizler tepki fonksiyonları için istatistiksel anlamlılık düzeylerini belirlemek için istihdam bir Monte Carlo yaklaşımı belgelemek. In bölüm 4 , her modelin tarihsel koşmak kullanan ve daha fazla Monte Carlo testleri uygulanarak fonksiyonların sağlamlığına harici testi kurmak. In bölüm 5 , bu değerlendirme sonrasında, biz seçmek ve büyük olasılıkla onlar türetildiği modelleri içinde fiziksel ilişkileri temsil etmek olan tepki fonksiyonlarını açıklar.

Üçüncü ve son amaç, 5. bölümde seçilen modelden türetilen ilişkilerin , Arctic FWC ve SLP arasındaki gerçek dünya ilişkisinin kesinlikle doğru bir yansıması olup olmadığını değerlendirmektir .

Olarak 6 bölüm , biz ERA-20C, bir analiz tekrarı SLP veri modeli türetilmiş dürtü yanıtı fonksiyonları (evriştirilir Poli ve ark., 2016 ) ve ERA-Geçici

Bu, 1990'ların sonunda ve 2000'lerin sonunda Rabe ve diğerleri tarafından bildirilenle karşılaştırılabilir bir FWC birikimi sağlar . (2014) ve Polyakov vd. (2013). Bu bağlamda, yöntemimiz serbestçe gelişen atmosferik bileşenlere sahip bağlı modelleri değerlendirmek için yeni bir araçtır; bu analiz, yalnızca tarihsel simülasyonlardan elde edilemeyen bilgiler sağlar.

Arktik tatlı su temsili

Arktik Okyanusu'ndaki FWC, genellikle , S _ref = 34,8 olacak şekilde , Arktik'in ortalama tuzluluk oranı olarak seçilen S _ref referans tuzluluğuna göre tanımlanır ( Aagaard ve Carmack 1989 )

Bu tanım aynı zamanda fiziksel olarak Arktik haloklinin tabanına yakın bir derinlikteki tuzluluğa karşılık gelir, yani bu üst taze tabakanın genişlemesini ve tazelemesini ölçmede gerçek faydası olduğu anlamına gelir. Entegrasyon yalnızca halokline kadar uzandığından, haloklin altındaki değişiklikler - örneğin, değişen Atlantik Suyu girişinden - dikkate alınmaz. Bu analizde, gerçek Arktik'e göre modellerdeki tuzluluk yanlılıklarının etkilerinden kaçınmak için, söz konusu her model için ortalama Arktik Okyanusu tuzluluğu olarak referans tuzluluğu alıyoruz ( Tablo 2 ). Her model simülasyonunda, bu referans tuzluluklarının tümü haloklin tabanının yakınında bulunur (gösterilmemiştir).

Her model için tatlı su bütçemizi oluştururken, modeller arasında çok farklı şekilde temsil edilen Kanada Arktik Takımadalarını hariç tutuyoruz. Bu nedenle, Serreze ve diğerleri tarafından seçilen aynı Arktik Okyanusu alanını kullanıyoruz. (2006) gözlemsel sentezlerinde ( Şekil 2 ). Takımadaların genellikle diğer Arktik tatlı su bütçelerine dahil edildiğini unutmayın (örneğin, Haine ve diğerleri 2015 ). Model simülasyonları , en büyük ve en küçük FWC ortalama durumlarına sahip topluluk üyeleri arasında 2 faktör fark ile bir dizi FWC ortalama durumu gösterir ( Şekil 1 ). Referans için, Serreze ve ark. (2006) 2000 öncesi iklimsel ortalama sıvı FWC'yi 74000 ± 7400 km ^{3 olarak} tahmin etmektedir., hidrografik gözlemlere dayanmaktadır. Literatürde yaygın olarak tanımlandığı gibi tatlı su mutlak değerlerinin intermodel karşılaştırmaları belirsizdir ( Schauer ve Losch 2019 ). Eşitlik sağlamak için, doğrusal yanıt işlevlerimizi her modelin Arctic FWC rezervuarındaki kesirli değişiklik açısından rapor ediyoruz.

Endüstri öncesi kontrol simülasyonlarından bazıları, çalışma boyunca FWC'de (CanESM2, CNRM-CM5 ve MIROC5) açık bir eğilim sergilemektedir. Her durumda, analizi gerçekleştirmeden önce FWC zaman serisini doğrusal olarak saptırıyoruz. Regresyon prosedürümüzü standartlaştırmak için model çalıştırmayı 3600, 6000 ve 9600 aylık uzunluklarda gruplandırıyoruz ( bölüm 3a ). Model çalıştırmalarını bu gruplama şemasına uyacak şekilde kestirdiğimizde, çalıştırmaların ilk bölümlerinde zaman serisinin geri kalanıyla tutarsız olan eğilimleri gösteren MIROC5 ve MPI-ESM-MR hariç tüm durumlarda ilk aydan başlıyoruz. Bu iki simülasyonda ilk 1008 ayı atlıyoruz.

Kuzey Kutbu'ndaki ortalama tatlı su dağılımı ( Şekil 2 ) ve hidrografi (gösterilmemiştir) da model simülasyonları arasında farklılık gösterir. Bununla birlikte, genel olarak, modeller, raflara kıyasla derin havzalarda daha derinlemesine entegre tatlı su depolamasını, Amerika havzasında Avrasya havzasına göre daha büyük bir FWC ve daha derin haloklin'i ve tuzlu ve zayıf tabakalı bir Barents Denizi'ni yakalar. Modeller, gözlemlerle ilgili olarak bazı ortak önyargılar göstermektedir (örneğin, Polar Bilim Merkezi Hidrografik Klimatoloji; Steele ve diğerleri, 2001 ): Beaufort Döngüsü, Kanada ve Alaska'dan daha uzakta konumlanmış, uzamsal olarak daha dağınık ve Kuzey Kutbu'nun merkezi aşırı tazedir. Bu önyargılar, CMIP5 multimodel ortalama tatlı su dağılımında da açıktır ( Shu ve diğerleri, 2018). Ek olarak, IPSL modelleri aşırı derecede taze bir Barents Denizi gösterir ( Şekil 2 ). Arktik Okyanusu hidrografisinin birleştirilmiş iklim modelleri paketinde karşılaştırılması en son Holland ve arkadaşları tarafından yapılmıştır . (2007) , Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli Dördüncü Değerlendirme Raporu'na katkıda bulunan 10 modeli inceledi. Ding vd. (2016) , CMIP5 modellerinde mevsimsel tatlı su döngüsünü yöneten süreçleri inceledi, ancak bunun dışında Arktik Okyanusu tatlı su ve / veya hidrografinin aynı nesil CMIP5 modellerinin modellerinde şimdiye kadar tek karşılaştırması Arktik Okyanusu CORE-II çalışmalarından geliyor. zorlanmış (akuple olmayan) model simülasyonları olarak kabul edilmektedir ( Wang ve diğerleri 2016 ; Ilicak ve diğerleri 2016 ).Shu vd. (2018) CMIP5 çok modelli ortalama tatlı su içeriğinin yirmi birinci yüzyılda öngörülen değişikliklerini değerlendiriyor.

Alıntı : College of Life and Environmental Sciences, University of

Exeter, Exeter, Birleşik Krallık.