Influence of Siberian river runoff in the XXI century for - PowerPoint PPT Presentation

Influence ¡of ¡Siberian ¡river ¡runoff ¡in ¡the ¡XXI ¡ century ¡for ¡the ¡fresh ¡water ¡balance ¡ ¡in ¡the ¡ Arc9c ¡ocean ¡ ¡ Viktor ¡Kuzin ¡ Gennady ¡Platov ¡ Natalya ¡Lapteva ¡ ¡ Ins9tute ¡of ¡Computa9onal ¡Mathema9cs ¡& ¡Mathema9cal ¡Geophysics, ¡ ¡ RAS, ¡Novosibirsk, ¡Russian ¡Federa9on ¡ ¡ Email: ¡kuzin@sscc.ru ¡

Mo9va9on ¡ Climatic changes in the past decades in the world, more so than anywhere else, has the impact in the high latitudes of the Northern Hemisphere. The problem of describing these changes is very complex and requires consideration of many factors, including the hydrological processes. Arctic ocean is the important part of this processes, because it gives about 11% of total fresh water input to the World Ocean.. It include the formation and melting of ice, the influx of Atlantic and Pacific waters, as well as the runoff of the Northern rivers. The role of the Siberian rivers in the hydrological cycle is important enough because of the essential fresh water input, about 55% to the Arctic ocean and then to the North Atlantic what may control the thermohaline circulation In the World ocean . ¡

INTRODUCTION ¡ This paper presents a study of the Siberian river fresh water anomalies distribution in the Arctic Ocean in XXI century based on the simulations by the river runoff model and the ICMMG Arctic Ocean circulation model. The input data is the output of the models provided to IPCC RCP 8.5 CMIP5 scenario. Calculations of the interannual variability of the river runoff in the XXI century was made for 11 Siberia rivers, which gives the fresh water to the Kara Sea, Laptev Sea and East-Siberian Sea. The previous analysis of the results the river fresh water distribution in the Arctic Ocean for XX century shows that the most important role of fresh water trajectory play the changes of the atmospheric circulation. The increase or decrease in export of fresh water through the Fram Strait and Canadian Straits is in accordance with the AO/NAO indices.

Surface ¡water ¡circula9on. ¡ ¡ Violet ¡arrows ¡ ¡— ¡Тtrans ¡arc9c ¡driR, ¡ ¡ Blue ¡arrows ¡— ¡Beaufort ¡sea ¡gayer, ¡ ¡ Light ¡blue ¡arrows ¡— ¡ ¡gayer ¡to ¡the ¡east ¡of ¡the ¡North ¡Land ¡ Red ¡arrows ¡— ¡river ¡runoff ¡ Datr: ¡4 ¡anuary ¡2012 ¡ Source: ¡Goddard ¡Mul9media ¡ ¡NASA/Goddard ¡Space ¡Flight ¡Center ¡

Siberian ¡ ¡rivers ¡ ¡and ¡direc-ons ¡of ¡the ¡surface ¡and ¡ground ¡runoff ¡ (resolu9on ¡1/3°) ¡ Relief ¡and ¡scheme ¡of ¡the ¡ ¡delta ¡Lena ¡river ¡ resolu9on ¡1.8 ¡km ¡ Laptev ¡sea ¡ Kara ¡sea ¡ East-­‑Siberian ¡sea ¡

CLIMATIC MODEL OF RIVER DISCHARGE The developed model is a linear reservoir model. It is composed of linear reservoirs in cells of the network. This means that the rate of discharge from a cell linearly depends on the inflow, is proportional to the slope in the cell, and is inversely proportional to the distance between cell centers. The variation rate of the discharge from a cell, or from a cascade of cells in the simplest version of the Kalinin- Milyukov model, is determined by the solution of a sequence of ordinary differential equations of the form dQ t ( ) k I t ( ) Q t ( ) ⋅ = − (1) dt where k is the coefficient of the lag time for the cell, I(t) is the inflow into the cell, and Q(t) is the outflow from the cell. For a cascade of n cells, a system of n equations is solved. The equations connect the inflows and outflows from sequential cells: dQ t ( ) i k I t ( ) Q t ( ) i 1,..., n ⋅ = − = i i dt ¡ ¡ ¡ ¡ (2) Q I , I I t ( ), Q Q t ( ) = = = i i 1 1 n + The solution of linear differential equations of the form (1), (2) with respect to the outflow Q(t) can be found in different ways: as a convolution integral, by the finite differences method, or by integration under the condition I(t) = const during the calculation interval. The general solution of linear equations of type (1), at zero initial conditions, is the convolution integral (Duhamel’s integral): ∞ Q t ( ) I ( ) h t ( ) d ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ = ∫ τ ⋅ − τ ⋅ τ (3) 0 Here, h(t) is the kernel of the linear system (in Russian hydrological terminology, the lag curve). ¡

Data ¡for ¡the ¡river ¡runoff ¡ q precipita9ons; ¡ ¡ q evapora9on; ¡ ¡ q phase ¡transforms; ¡ ¡ q Infiltra9on ¡to ¡soil; ¡ q Temperature. ¡ ¡ ¡ Verifica9on ¡of ¡the ¡model ¡was ¡made ¡on ¡the ¡basis ¡of ¡the ¡MERRA ¡reanalysis ¡data ¡ ¡ (1980-­‑2011). ¡ ¡ The ¡control ¡data ¡were ¡ ¡R-­‑Arc9cNET ¡ ¡ [hfp://www.r-­‑arc9cnet.sr.unh.edu/v4.0/index.html]. ¡ ¡ ¡ ¡ Possible ¡varia9ons ¡of ¡the ¡hydrology ¡in ¡XXI ¡century ¡was ¡made ¡by ¡the ¡scenario ¡ ¡RCP ¡8.5 ¡ of ¡the ¡project ¡CMIP5 ¡ ¡IPCC ¡(2006 ¡– ¡2100 ¡гг.) ¡on ¡the ¡basis ¡of ¡the ¡models ¡data: ¡ Ø CNRM ¡/ ¡MeteoFrance, ¡ ¡ Ø INM ¡/ ¡RAS ¡ ¡Russia, ¡ Ø GFDL ¡/ ¡USA, ¡ Ø HadGEM2 ¡/UK, ¡ Ø MIROC5 ¡/Japan, ¡ Ø MPI-­‑ESM ¡/ ¡Germany. ¡

Annual hydrographs river runoff to the Arctic seas in XX cent. Kara Sea Laptev Sea East- Siberian Sea ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡SeasSS ¡ Amplitude ¡% ¡ Annual ¡ runoff ¡% ¡ Kara ¡Sea ¡ -­‑0,2 ¡ 6,2 ¡ Laptev ¡Sea ¡ 3,5 ¡ 14,7 ¡ East ¡Siberian ¡Sea ¡ -­‑8,2 ¡ 4,8 ¡

Averaged annual runoff to the Arctic Seas Kara Sea Laptev Sea East-Siberian Sea

Hydrographs by the multimodal simulations in the comparison with the data Kara Sea Laptev Sea East-Siberan Sea

Iinterannual variability of river runoff in XXI century Kara Sea Laptev Sea East-Siberian Sea

Numerical ¡simula9on ¡of ¡the ¡Arc9c ¡ocean ¡fresh ¡water ¡ content ¡and ¡circula9on ¡sensi9vity ¡in ¡XXI ¡century. ¡ ¡ Two ¡runs: ¡ 1. ¡ ¡with ¡clima9c ¡river ¡runoff; ¡ 2. ¡with ¡the ¡calculated ¡river ¡runoff. ¡ ¡ Model ¡INM&MG ¡SD ¡RAS ¡(E.Golubeva, ¡G. ¡Platov) ¡ ¡

ICE ¡volume ¡

ICE ¡area ¡in ¡the ¡Arc9c ¡Ocean ¡ minimal ¡area ¡(leR) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡and ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡difference ¡of ¡area ¡for ¡two ¡experiments ¡(right) ¡

INDISES ¡OF ¡АО ¡и ¡АОО ¡ ¡ Arc9c ¡Oscilla9on ¡(leR) ¡Arc9c ¡Ocean ¡Oscilla9on ¡(right) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Stream ¡func9on, ¡AOO+ ¡ CNRM ¡ INM ¡ GFDL ¡ MIROC ¡

Stream ¡func9on, ¡AOO-­‑ ¡ INM ¡ CNRM ¡ GFDL ¡ MIROC ¡

Anomaly ¡of ¡fresh ¡water ¡content, ¡AOO+ ¡ INM ¡ CNRM ¡ GFDL ¡ MIROC ¡

Anomaly ¡of ¡FWC, ¡AOO-­‑ ¡ INM ¡ CNRM ¡ GFDL ¡ MIROC ¡

FWC ¡averaged ¡ by ¡the ¡models ¡ AOO-­‑ ¡ (AOO+) ¡ AOO+ ¡ (AOO++) ¡

Fresh ¡water ¡surplus ¡propaga9on ¡AOO+ ¡(INM) ¡ ¡ ¡

Fresh ¡water ¡surplus ¡propaga9on ¡AOO-­‑ ¡(INM) ¡ ¡ ¡

Two ¡trajectories ¡of ¡fresh ¡water ¡surplus ¡pathways ¡

SUMMARY ¡ • A numerical simulation with a coupled sea-ice model of the Arctic and North Atlantic oceans is used to study the influence that the interannual variations in the Siberian river discharge have on the propagation of fresh water in XXI century this region. • The results of the river discharge model for the Siberian rivers was used as input data • Simulation of the of the fresh water in Arctic Ocean in XXI century was made on the basis of the the results of 6 models on the basis of the data of the project CMIP5, RCP 8.5 scenario of s IPCC. • Results of simulation of the runoff show the increasing of Siberian rivers runoff to the end of XXI century for all models and it has significant differences in the fresh water input to the Kara Sea and the Eastern Arctic seas. This may be a response to climate change in different regions in Siberia, as it was observed in recent decades. • Results of the simulation by the circulation model shows that distribution of the anomalies fresh water content for two experiment s depends on the AOO indices. • When it is the period of AOO+ the amount of the anomalies increases in the basin. When there is a period of AOO- the anomalies value decreases because of the output to the North Atlantic.

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