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Thesis

Decadal climate predictions in the North Atlantic region: The role of ocean heat transport

MPS-Authors
/persons/resource/persons202794

Borchert,  Leonard
IMPRS on Earth System Modelling, MPI for Meteorology, Max Planck Society;
Decadal Climate Predictions - MiKlip, The Ocean in the Earth System, MPI for Meteorology, Max Planck Society;

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Fulltext (public)

BzE_208_borchert_online.pdf
(Publisher version), 29MB

Supplementary Material (public)
There is no public supplementary material available
Citation

Borchert, L. (2018). Decadal climate predictions in the North Atlantic region: The role of ocean heat transport. PhD Thesis, Universität Hamburg, Hamburg. doi:10.17617/2.2639896.


Cite as: http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0002-0A63-4
Abstract
The possibility of credible climate forecasts for several years ahead - on the decadal time scale - has received considerable public and economic attention. Scientific studies quantify the credibility of such forecasts by evaluating the average predictive quality (skill) over the last 50-60 years (in so-called hindcasts). Decadal hindcasts of surface temperatures were shown to be on average particularly skillful in the North Atlantic region. However, the reason for the high skill of these hindcasts is still unclear. Mean- while, North Atlantic sea surface temperatures (SSTs) are on the decadal time scale strongly influenced by subpolar ocean heat transport (OHT) variability. I here connect OHT variability and SST predictability and test whether the knowledge of the strength of subpolar OHT at the beginning of a single SST forecast can improve its credibility. By using initialized global climate simulations of the twentieth century, I confirm pre- vious studies in that OHT variability influences SST variability for 3-10 years. A char- acteristic SST pattern of warm anomalies in the northeast Atlantic and cold anomalies in the Gulf Stream region emerges after strong OHT phases and vice versa. This pat- tern originates from persistently growing upper ocean heat content anomalies that arise from Southward propagating OHT anomalies in the North Atlantic. Extending previ- ous work, I analyze strong and weak OHT phases at 50◦N separately. This reveals an asymmetry between strong and weak phases of ocean heat transport: When subpolar OHT is strong, North Atlantic SSTs show stronger and more persistent decadal anoma- lies than when subpolar OHT is weak. For the first time I show that the hindcast skill of northeast Atlantic SSTs 3-10 years ahead is linked to the characteristic SST pattern, and therefore OHT variability in the subpolar North Atlantic. When subpolar ocean heat transport is strong at the initial- ization of a hindcast, the skill of SST hindcasts in the northeast Atlantic 2 to 9 years into the future is significantly higher than when the ocean heat transport is weak at initialization. The asymmetric effect of strong and weak phases of subpolar OHT on SST variability that preconditions asymmetric hindcast skill is robust in non-initialized versions of the same climate model. The skill of decadal SST predictions therefore ro- bustly depends on the climate state at the start of a prediction. I show in this dissertation that hindcast skill changes over time and thus cannot be immediately translated into the credibility of a forecast. Instead, the credibility of a decadal climate forecast depends on the climate state at the start of the forecast. For North Atlantic SST forecasts, the strength of subpolar North Atlantic OHT at the start of the forecast can be used to estimate its credibility. Findings presented in this dissertation suggest that physical mechanisms might be used to improve conventional estimates of the credibility of a climate forecast on the economically and politically relevant decadal time scale.
Die Möglichkeit, das Klima für einige Jahre glaubhaft vorherzusagen, erweckte zuletzt umfangreiches öffentliches und ökonomisches Interesse. Wissenschaftliche Studien quan- tifizieren die Glaubwürdigkeit solcher Vorhersagen, indem sie die durchschnittliche Vor- hersagequalität der letzten ca. 50 Jahre diagnostizieren. Solche dekadischen Vorher- sagen von Erdoberflächentemperaturen in der Nordatlantikregion zeigten besonders hohe Qualität. Der Grund für diese hohe Vorhersagequalität in der Nordatlantik- region ist bisher jedoch unbekannt. Indes beeinflussen Schwankungen im Transport von Wärme aus dem tropischen in den subpolaren Nordatlantik (ocean heat transport, OHT ) nordatlantische Wasseroberflächentemperaturen (sea surface temperatures, SSTs) für etwa zehn Jahre. In dieser Dissertation zeige ich Verbindungen von niederfrequenten Schwankungen des OHT zu der Qualität dekadischer SST-Vorhersagen auf. Weiterhin diskutiere ich, wie die Kenntnis der Stärke des OHT im subpolaren Nordatlantik zu Be- ginn einer einzelnen SST Vorhersage genutzt werden kann, um die erwartbare Qualität dieser Vorhersage abzuschätzen. Mit Hilfe initialisierter numerischer Modellsimulationen des gesamten zwanzigsten Jahr- hunderts bestätige ich frühere Studien, indem ich zeige, dass OHT-Schwankungen die Variabilität von SSTs für bis zu 3-10 Jahre beeinflussen können. Ein charakteristisches SST-Muster mit warmen Temperaturen im nordost-Atlantik und kalten Temperaturen in der Golfstromregion erscheint nach starken OHT-Phasen und anders herum. Dieses Muster entsteht aus stetig wachsenden Wärmeanomalien im oberen Ozean, welche aus OHT-Anomalien resultieren, die sich im Nordatlantik südwärts fortpflanzen. Basierend auf diesen Analysen erweitere ich bisherige Studien und analysiere starke und schwache OHT-Phasen separat. Dies offenbart einen asymmetrischen Effekt starker und schwacher OHT-Phasen: starke OHT Phasen bei 50◦N beeinflussen SSTs stärker und nachhaltiger als schwache. Ich zeige hier erstmals, dass die Qualität von SST-Vorhersagen für 3-10 Jahre in die Zukunft mit diesem charakteristischen SST-Muster, und somit mit ozeanischem Wärme- transport, zusammenhängt. Wenn OHT zu Beginn einer Vorhersage in einer starken Phase ist, ist die Vorhersagequalität von SSTs für 2-9 Jahre in die Zukunft signifikant besser, als wenn der Ozean zu Beginn der Vorhersage wenig Wärme transportiert. Diese Asymmetrie ist robust in unterschiedlichen Realisationen des selben Klimamodells. Die Qualität dekadischer SST-Vorhersagen hängt daher vom klimatischen Zustand zu Be- ginn der Vorhersage ab. Ich zeige in dieser Dissertation, dass die Qualität dekadischer Temperaturvorhersagen zeitabhängig ist, und daher Qualitätsabschätzungen für die Vergangenheit für Vorher- sagen der Zukunft nicht anwendbar sind. Tatsächlich bedingt der klimatische Zustand zu Beginn einer Vorhersage deren Qualität. Bei der dekadischen Vorhersage nordat-lantischer SSTs kann der ozeanische Wärmetransport im Nordatlantik als Kriterium zur Abschätzung der erwarteten Qualität einer Vorhersage genutzt werden. Ergebnisse, die ich in dieser Dissertation präsentiere, deuten darauf hin, dass physikalische Mech- anismen genutzt werden können, um konventionelle Abschätzungen der Qualität von Klimavorhersagen für den ökonomisch und politisch interessanten dekadischen Zeitraum zu verbessern.