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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-86941
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8694/


The AMOC and its sensitivity to different climate forcings in the range of glacial to modern conditions

Der Effekt verschiedener Klimaantriebe auf die meridionale Umwälzzirkulation des Atlantiks unter glazialen und modernen Bedingungen

Klockmann, Marlene

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SWD-Schlagwörter: Meereskunde , Klima , Geowissenschaften , Eiszeit , Atlantischer Ozean , Modellierung
Freie Schlagwörter (Englisch): Atlantic Meridional Overturning Circulation , Last Glacial Maximum , sensitivity , threshold
Basisklassifikation: 38.82 , 38.90
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Mikolajewicz, Uwe (Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.07.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 31.08.2017
Kurzfassung auf Englisch: State-of-the-art coupled climate models produce very different states of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) in simulations of the Last Glacial Maximum (LGM). In particular, many of them fail to capture the shoaling of the North Atlantic Deep Water (NADW) cell, which is indicated by paleo records. The cause for these differences is not yet well understood. Simulations with the Max Planck Earth System Model (MPI-ESM) are used to improve this understanding by studying the sensitivity of the AMOC and the deep Atlantic water masses to different sets of forcings.
Analysing the individual contributions of the glacial forcings reveals that the glacial ice sheets cause an increase in the overturning strength and a deepening of the NADW cell, while the low greenhouse gas (GHG) concentrations cause a decrease in overturning strength and a shoaling of the NADW cell. The effect of the orbital configuration is negligible. The effects of the ice sheets and the GHG reduction balance each other in the deep ocean so that no shoaling of the NADW cell occurs in the full glacial state.
The mechanism behind the shoaling of the NADW cell is analysed by simulating the AMOC response to different GHG concentrations with linearly decreasing radiative forcing. In order to capture a possible non-linear response, the different GHG concentrations are applied to a setup with glacial ice sheets and to a setup with preindustrial ice sheets. In the simulations with glacial ice sheets, the AMOC decreases linearly with the radiative forcing once the atmospheric pCO2 is below 284 ppm. To simulate a shoaling relative to the preindustrial AMOC state, GHG concentrations below the glacial level are necessary. Antarctic Bottom Water (AABW) needs to become more saline than NADW to achieve the necessary shoaling. Brine release and shelf convection in the Southern Ocean are key processes for the salinity increase of AABW.
In the simulations with preindustrial ice sheets, the AMOC strength responds non-linearly to the decreasing radiative forcing. There are two distinct AMOC modes: A strong and deep mode at high GHG concentrations, and a weak and shallow mode at low GHG concentrations. The strong AMOC mode becomes unstable at a pCO2 between 230 ppm and 206 ppm. The weak AMOC mode becomes stable at a pCO2 between 206 ppm and 185 ppm. In the weak AMOC mode, AABW is as salty as or saltier than NADW, and the Nordic Seas do not contribute to the formation of NADW. In a simulation with 206 ppm, both AMOC modes are unstable and the AMOC oscillates between the two unstable states. These self-sustained oscillations are caused by salinity changes in the tropical and subpolar Atlantic in combination with interactions between the subpolar gyre and deep convection in the Nordic Seas. The AMOC does not switch into the weak mode in the simulations with glacial ice sheets, because the glacial ice sheets increase the AMOC strength by enhancing the density gain in the North Atlantic.
Kurzfassung auf Deutsch: Der Zustand der meridionalen Umwälzzirkulation im Atlantik (englisch: AMOC) während des letzten glazialen Maximums (LGM) wird von verschiedenen gekoppelten Klimamodellen sehr unterschiedlich dargestellt. Rekonstruktionen zufolge war die obere Strömungszelle der AMOC während des LGMs flacher als im heutigen Ozean. Viele Modelle sind nicht in der Lage, dieses Abflachen zu simulieren. Die Gründe für die Widersprüche zwischen Simulationen und Rekonstruktionen sind noch nicht vollständig verstanden. Diese Arbeit untersucht daher wie empfindlich die AMOC im Max-Planck-Institut Erdsystem-Modell auf Antriebs-Änderungen in Form von Treibhausgasen (THG) und Eisschild-Konfigurationen reagiert.
Zunächst wird der glaziale AMOC Zustand in die jeweiligen Beiträge des glazialen Orbits, der kontinentalen Eisschilde und der glazialen THG-Konzentrationen aufgeteilt. Der Beitrag des glazialen Orbits ist vernachlässigbar klein. Die Eisschilde verursachen eine Verstärkung und Vertiefung der oberen AMOC Zelle. Die niedrigen THG-Konzentrationen hingegen verursachen eine Schwächung und Abflachung der oberen Zelle. Die beiden Effekte heben sich teilweise auf, sodass die Tiefe der oberen AMOC Zelle im glazialen Zustand unverändert gegenüber dem heutigen Zustand bleibt.
Simulationen mit verschiedenen THG-Konzentrationen geben Aufschluss über die Prozesse, die ein Abflachen der oberen Zelle bewirken. Um mögliche nicht lineare Effekte zu berücksichtigen, werden zwei Simulationsreihen durchgeführt: eine mit vorgeschriebenen LGM-Eisschilden sowie eine mit prä-industriellen (PI) Eisschilden. Zwischen den einzelnen Simulationen nimmt der Strahlungsantrieb der THG-Konzentrationen in etwa linear ab. In der Simulationsreihe mit LGM-Eisschilden beginnt die AMOC ab einer CO2 -Konzentration von 284 ppm linear mit dem Strahlungsantrieb schwächer zu werden. Um ein Abflachen der oberen Zelle zu simulieren, muss das Antarktische Bodenwasser (AABW) ausreichend schwer und salzig sein, um das Nordatlantische Tiefenwasser (NATW) aus dem tiefen Nordatlantik zu verdrängen. Die Salzanreicherung im AABW wird durch die Freisetzung von Salzlösung während der Meereisbildung im Südlichen Ozean angetrieben. Um ein Abflachen der oberen AMOC Zelle gegenüber des heutigen Zustandes zu simulieren ist eine CO2-Konzentration von 149 ppm notwendig. Nur dann wird genügend Meereis gebildet um das AABW salzig genug werden zu lassen.
In der Simulationsreihe mit PI-Eisschilden verläuft die Abschwächung der AMOC nicht linear. Es existieren zwei verschiedene AMOC Zustände. Bei hohen CO2-Konzentrationen ist die obere Zelle stark und tief. Bei niedrigen CO2-Konzentrationen ist die obere Zelle schwach und flach. Der Übergang zwischen den zwei Zuständen erfolgt abrupt. Der schwache AMOC Zustand tritt auf, wenn AABW salziger wird als NATW und wenn keine Tiefenwasserbildung im europäischen Nordmeer stattfindet. In einer Simulation mit 206 ppm sind beide Zustände instabil und die AMOC springt zwischen den zwei instabilen Zuständen hin und her. Auslöser für diese abrupten Übergänge sind der Salzaustausch zwischen dem tropischen und subpolaren Atlantik sowie die Wechselwirkung zwischen dem subpolaren Wirbel und der Tiefenwasserbildung im europäischen Nordmeer. In den Simulationen mit LGM-Eisschilden wechselt die AMOC nicht in den schwachen Zustand, da die LGM-Eisschilde die AMOC verstärken indem sie den Dichtegewinn im Nordatlantik erhöhen, und die AMOC somit weniger von der Tiefenwasserbildung im europäischen Nordmeer abhängig ist.

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