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) ¡ ¡

Atlan&c ¡Meridional ¡Overturning ¡Circula&on ¡(AMOC) ¡in ¡Models ¡ CESM ¡ Long-­‑term ¡mean ¡from ¡CMIP5 ¡historical ¡ simula&ons ¡ Zhang ¡& ¡Wang ¡(2013) ¡ Sv: ¡Sverdrup ¡= ¡10 6 ¡m 3 ¡s -­‑1 ¡

AMOC ¡at ¡26.5 o N ¡ (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 ¡ SST ¡regression ¡on ¡to ¡AMV ¡ A. ¡Phillips ¡(NCAR ¡Climate ¡Data ¡Guide) ¡ ¡ o C/SD ¡ Zhang ¡& ¡Wang ¡(2013) ¡

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? ¡ • 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 ¡ • 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) ¡ ¡ • … ¡

Observa&onal ¡Evidence ¡for ¡Link ¡Between ¡Ocean ¡Circula&on ¡and ¡AMV ¡ McCarthy ¡et ¡al. ¡(2015) ¡ Based ¡on ¡monthly-­‑mean ¡sea-­‑level ¡records ¡from ¡&de ¡gauges ¡ Average ¡upper-­‑ocean ¡(0-­‑500 ¡m) ¡temperature ¡ anomalies ¡with ¡respect ¡to ¡1958-­‑2010 ¡ SL ¡index ¡ T anom ¡ NAO ¡ T anom : ¡0-­‑500 ¡m; ¡40 o -­‑60 o N ¡

Observa&onal ¡Evidence ¡for ¡AMV ¡Influence ¡on ¡Surface ¡Turbulent ¡ Heat ¡Fluxes ¡(STHF) ¡ Gulev ¡et ¡al. ¡(2013) ¡ CESM1 ¡ AMV ¡vs. ¡STHF ¡correla&ons ¡ ¡ Low ¡frequency ¡ High ¡frequency ¡ Based ¡on ¡VOS ¡reports ¡from ¡the ¡ Interna&onal ¡Comprehensive ¡Ocean–Atmosphere ¡ Data ¡Set ¡(ICOADS, ¡version ¡2.5) ¡for ¡1880-­‑2007 ¡

AMOC ¡Index ¡Time ¡Series ¡ GFDL ¡CM2.1 ¡ ¡ Msadek ¡et ¡al. ¡(2010) ¡ CCSM3 ¡& ¡CCSM4 ¡ ¡ Danabasoglu ¡(2008); ¡Danabasoglu ¡et ¡al. ¡(2014) ¡ AMOC ¡ ECHAM5/MPI-­‑OM ¡ Jungclaus ¡et ¡al. ¡(2005) ¡

• 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) ¡ ¡

Experiments ¡with ¡CESM ¡ Ver&cal ¡mixing ¡parameteriza&on: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Reduce ¡internal ¡background ¡mixing ¡from ¡0.17x10 -­‑4 ¡to ¡0.10x10 -­‑4 ¡m 2 ¡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 ¡m 2 ¡s -­‑1 ¡ • Reduce ¡the ¡boundary ¡layer ¡/ ¡upper ¡ocean ¡isopycnal ¡and ¡thickness ¡ diffusivi&es ¡from ¡3000 ¡to ¡2000 ¡m 2 ¡s -­‑1 ¡ ¡ Horizontal ¡viscosity ¡parameteriza&on: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Reduce ¡the ¡interior ¡viscosi&es ¡from ¡600 ¡to ¡300 ¡m 2 ¡s -­‑1 ¡ ¡ ¡ Atmospheric ¡ini&al ¡condi&on ¡perturba&ons: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Round-­‑off ¡level ¡perturba&on ¡of ¡ini&al ¡temperature ¡field ¡

AMOC ¡Index ¡Power ¡Spectra ¡ MDO ¡ HV ¡ VM ¡ MUO ¡ SM ¡ Year ¡ Year ¡ dots: ¡95% ¡ ¡ ¡ squares: ¡90% ¡ ¡ Year ¡

AMOC ¡Index ¡Correla&ons ¡with ¡…. ¡ BLD ¡ March-­‑mean ¡ 95% ¡ Upper-­‑ocean ¡ boundary ¡ density ¡ layer ¡depth ¡ (BLD) ¡ Subpolar ¡ North ¡ gyre ¡ Atlan&c ¡ transport ¡ Oscilla&on ¡ (SPG) ¡ (NAO) ¡ AMOC ¡leads ¡for ¡+ve ¡lags ¡

Labrador ¡Sea ¡Upper-­‑Ocean ¡Density ¡Regressions ¡on ¡to ¡AMOC ¡Index ¡ Full ¡density ¡ Temperature ¡ contribu&on ¡ Salinity ¡ contribu&on ¡ AMOC ¡leads ¡ for ¡+ve ¡lags ¡