Understanding projected salinity changes in the global ocean of the MPI-Earth system model under a global warming scenario

Abstract

Salinity in the global ocean has started experiencing substantial changes related to the present-day warming and an associated intensification of the global water cycle. The resulting salinity trends which can be characterized as driven by "wet get wetter and dry get drier" are expected to continue over the next century, with a strength that will depend on the anthropogenic forcing. An assessment of the impact of the salinity changes on the general circulation requires to understand the mechanisms driving these changes, their attribution to changing surface fluxes, but also on the mechanisms influencing the rest of the physical ocean. In a projected climate, resulting in significant changes in the surface fluxes, each of these forcing mechanisms may drive a distinctly different salinity response.

The primary objective of this study is to distinguish between salinity changes resulting from warming, freshwater flux and wind-stress changes and to use this information to investigate mechanisms that are expected to drive future changes. We investigated salinity change mechanisms that are simulated under strong climate change forcing conditions. This part of the study is based on the output of the Max Planck Institute Earth System Model (MPI-ESM) Medium Resolution run with RCP8.5 forcing conditions. In comparison to the present-day oceanic conditions, sea surface salinity (SSS) increases towards the end of the 21st century in the tropical and the subtropical Atlantic. In contrast, a basin-wide surface freshening can be observed in the Pacific and Indian Oceans. The RCP8.5 forcing scenario with a global surface warming of ∼2.3 ◦C marks a water cycle amplification of 19 % and a SSS signal amplification of 18 %. A dominant part of this amplification in SSS comes from the Atlantic Ocean (31 %), whereas the Pacific and Indian Oceans show a weaker amplification of 9 %.

On a large scale, the global water cycle drives global SSS changes by altering the surface freshwater flux. On smaller scales, advection related to circulation substantially affects near-surface changes. A large fraction of its associated advection changes is required to balance the advection change related to circulation changes. Subsurface salinity changes can be decomposed into the surface-forced changes in water masses (spice) and the heaving of isopycnals. We find that the changes in surface freshwater flux dominate the upper 500 m subsurface salinity changes in the subtropical oceans by forcing the surface anomalies to subsurface through spice signal. While this is true for all the subtropical ocean basins, in the subtropical Atlantic Ocean, the dynamical response associated with wind-stress and circulation changes is equally important in driving subsurface salinity changes in the upper 1000 m. However, this mechanism is less significant for salinity adjustment in the Pacific and Indian oceans.

In a subsequent study, a set of Flux-Anomaly-Forced Model Intercomparison Project (FAFMIP) sensitivity experiments, are used to verify the salinity response to individual surface forcings. These sensitivity experiments from the high-resolution version of MPI-ESM indicate a similar response in salinity to surface freshwater flux in an RCP8.5 scenario. Analysing a small region of the South Atlantic Ocean, we find that freshwater flux changes alone were insufficient to see a significant SSS signal amplification. This indicates the strong role of surface warming in driving the Atlantic SSS response alongside the freshwater flux. However, the heat flux experiment in FAFMIP is unsuitable for isolating the salinity changes associated with warming in the global ocean. Finally, a passive tracer experiment perturbed with the same freshwater flux prescribed in the FAFMIP experiment shows the need to consider the role of ocean atmosphere feedbacks and circulation changes in quantifying the salinity response to freshwater flux changes.

The results advance our knowledge about projected salinity changes by showing the consistently dominant role of the surface freshwater flux in forcing salinity changes in both depth and density levels for all the ocean basins. These results suggest that the water cycle changes under strong anthropogenic CO2-forcing can lead to major changes in SSS and subsurface salinity over large parts of the global ocean.

Der Salzgehalt im globalen Ozean hat im Zusammenhang mit der heutigen Erwärmung und einer damit verbundenen Intensivierung des globalen Wasserkreislaufs erhebliche Veränderungen erfahren. Die daraus resultierenden Salzgehaltstrends sind getrieben durch das Muster "nass wird nasser und trocken wird trockeneründ werden sich voraussichtlich im nächsten Jahrhundert fortsetzen, wobei die Stärke dieser Trends vom anthropogenen Einfluss abhängen wird. Eine Beurteilung der Auswirkungen der Salzgehaltsveränderungen auf die allgemeine Zirkulation erfordert das Verständnis der Mechanismen, die diese Veränderungen antreiben, ihre Zuordnung zu den sich ändernden Oberflächenflüssen, aber auch zu den Mechanismen, die den Rest des physikalischen Ozeans beeinflussen. In einem prognostizierten Klima, das zu signifikanten Veränderungen der Oberflächenflüsse führt, kann jeder dieser Antriebsmechanismen eine deutlich unterschiedliche Änderung des Salzgehalts bewirken.

Das primäre Ziel dieser Studie ist es, zwischen Salzgehaltsänderungen infolge von Erwärmung, Süßwasserflüssen und Windeinflussänderungen zu unterscheiden und diese Informationen zu nutzen, um Mechanismen zu untersuchen, von denen erwartet wird, dass sie zukünftige Veränderungen antreiben könnten.

Wir untersuchten Mechanismen der Salzgehaltsänderung, die unter Bedingungen eines starken Klimawandels simuliert werden. Dieser Teil der Studie basiert auf Ergebnissen des Erdsystemmodells des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-ESM) in mittlerer Auflösung, das mit dem RCP8.5-Szenario angetrieben wurde. Im Vergleich zu den heutigen ozeanischen Bedingungen nimmt der Salzgehalt der Meeresoberfläche (SSS) im tropischen und subtropischen Atlantik gegen Ende des 21. Jahrhunderts zu. Im Gegensatz dazu ist im Pazifik und im Indischen Ozean eine beckenweite SSSAbnahme zu beobachten. Das RCP8.5 Antriebsszenario mit einer globalen erflächenerwärmung von ∼2.3 ◦C markiert eine Wasserkreislaufverstärkung von 19 % und eine SSS-Signalverstärkung von 18 %. Ein dominanter Teil dieser SSS-Verstärkung kommt aus dem Atlantischen Ozean (31 %), während der Pazifische und Indische Ozean eine schwächere Verstärkung von 9 % aufweisen.

Großskalig treibt der Wasserkreislauf die globalen SSS-Veränderungen an, indem er den oberirdischen Süßwasserfluss verändert. Auf kleineren Skalen beeinflusst die Advektion im Zusammenhang mit der Zirkulation die oberflächennahen Veränderungenwesentlich. Ein großer Teil der damit verbundenen Advektionsänderung ist erforderlich, um die Advektionsänderung im Zusammenhang mit Zirkulationsänderungen auszugleichen. Salzgehaltsänderungen unterhalb der Oberfläche können in oberflächenbedingte Änderungen der Wassermassen (Spice) und die Hebung von Isopyknen zerlegt werden. Wir stellen fest, dass die Änderungen des oberirdischen Süßwasserflusses die oberen 500 m der unterirdischen Salzgehaltsänderungen in den subtropischen Ozeanen dominieren, indem die Oberflächenanomalien durch das Spicesignal nach unten gezwungen werden. Während dies für alle subtropischen Ozeanbecken gilt, ist im subtropischen Atlantischen Ozean die dynamische Reaktion, die mit Windeinfluss und Zirkulationsänderungen verbunden ist, ebenso wichtig, um die unterirdischen Salzgehaltsänderungen in den oberen 1000 m voranzutreiben. Dieser Mechanismus ist jedoch für die Salzgehaltsanpassung im Pazifischen und Indischen Ozean weniger ausgeprägt.

In einer anschließenden Studie wird eine Reihe von Sensitivitätsexperimenten des FluxAnomaly-Forced Model Intercomparison Project (FAFMIP) verwendet, um die Reaktion des Salzgehalts auf individuelle Oberflächeneinflüsse zu verifizieren. Die Sensitivitätsexperimente, die mit der hochauflösenden Version von MPI-ESM durchgeführt wurden, weisen auf eine ähnliche Reaktion des Salzgehalts auf den Oberflächensüßwasserfluss in einem RCP8.5-Szenario hin. Eine kleine Region im Südatlantik zeigt, dass Süßwasserflussänderungen allein nicht ausreichten, um eine signifikante SSSSignalverstärkung zu erkennen. Dies deutet auf die starke Rolle der Oberflächenerwärmung bei der Steuerung der atlantischen SSS-Reaktion neben dem Süßwasserflusses hin. Das Wärmeflussexperiment in FAFMIP ist jedoch ungeeignet, um die mit der Erwärmung im globalen Ozean verbundenen Salzgehaltsänderungen zu isolieren. Schließlich zeigt ein passives Tracer-Experiment, das mit demselben im FAFMIP-Experiment vorgeschriebenen Süßwasserfluss gestört wurde, die Notwendigkeit, die Rolle von OzeanAtmosphäre-Rückkopplungen und zirkulationsänderungen bei der Quantifizierung der Salzgehaltsreaktion auf Änderungen des Süßwasserflusses zu berücksichtigen.

Die Ergebnisse erweitern unser Wissen über prognostizierte Salzgehaltsänderungen, indem sie die durchweg dominante Rolle des Oberflächensüßwasserflusses bei der Erzwingung von Salzgehaltsänderungen sowohl in Tiefe- als auch in Dichteschichten für alle Ozeanbecken zeigen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Veränderungen des Wasserkreislaufs unter starkem anthropogenem CO2-Antrieb zu großen Veränderungen des SSS und des unterirdischen Salzgehalts in weiten Teilen des globalen Ozeans führen können.