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Thesis

A new Eulerian iceberg module for climate studies: Formulation and application to the investigation of the sensitivity of the AMOC to iceberg calving

MPS-Authors

Erokhina,  Olga
IMPRS on Earth System Modelling, MPI for Meteorology, Max Planck Society;
Ocean Physics, The Ocean in the Earth System, MPI for Meteorology, Max Planck Society;

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Fulltext (public)

Web_BzE_238_Erokhina.pdf
(Publisher version), 15MB

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

Erokhina, O. (2020). A new Eulerian iceberg module for climate studies: Formulation and application to the investigation of the sensitivity of the AMOC to iceberg calving. PhD Thesis, Universität Hamburg, Hamburg. doi:10.17617/2.3270743.


Cite as: http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0007-8BC2-1
Abstract
Although it is well known that icebergs play an important role especially for the simulation of glacial climate, e.g. Heinrich events, standard climate models, as used in the Climate Model Intercomparison Project (CMIP), do not contain iceberg modules. Existing iceberg modules are formulated in the Lagrangian framework, optimal for tracking individual icebergs. How- ever, in climate modelling, the key aspect of icebergs is the effect of their melting on the ocean. Therefore, a new formulation of an iceberg module in the Eulerian framework is presented. The module is introduced into the Max Planck Institute Earth System Model (MPI-ESM), allowing to sim- ulate the effect of icebergs on the climate and feedbacks between them. The new iceberg module is tested in a set of simulations with the ice- berg module coupled to the ocean component of MPI-ESM with prescribed observed iceberg calving fluxes. These simulations allow to validate the model against observed iceberg distributions. The sensitivity of the ice- berg module against several model parameters is tested, and an optimal set of parameters, focusing on the iceberg meltwater flux as key variable, is determined. The effect of icebergs on the simulation of iceberg discharge events is investigated in a set of simulations with the full MPI-ESM-Iceberg set-up. The experiments aim at determining the thresholds of the Atlantic Merid- ional Overturning Circulation (AMOC) against a prescribed hosing. In a setting with slowly varying forcing, different types of hosing are compared. In addition to a direct simulation of iceberg calving through the Hudson Strait, two freshwater hosing experiments are performed: a direct point source hosing in the Labrador Sea off the Hudson Strait and a latitude belt hosing between 50◦ and 70◦N. For pre-industrial climate conditions, the results show that the sensitivity of the AMOC to the type of hosing is considerable. The threshold for an abrupt AMOC weakening in the lati- tude belt hosing is approximately four times lower than in the point source hosing in the Labrador Sea. The threshold for the iceberg experiment lies approximately in the middle of the values for the two freshwater hosing experiments. A similar set of experiments under climate conditions representative for the Last Glacial Maximum (LGM; 21000 year before present) was performed to investigate the effect of the background climate on the aforementioned results. For this climate state, the simulated mechanism of the formation of North Atlantic Deep Water (NADW) is different as compared to pre- industrial conditions. In the LGM simulations, NADW is formed in the Arctic and the Nordic Seas due to brine release from sea ice. This makes the AMOC more resilient against the iceberg/freshwater hosing and no abrupt transitions between a strong and a weak AMOC are simulated. The spread between the different types of hosing in the cold LGM climate is much smaller than for pre-industrial climate. Further experiments were performed to investigate the effect of latent heat of icebergs on the AMOC sensitivity. While the effect of the latent heat is much smaller than the direct effect of the iceberg meltwater flux, it has a significant impact on the AMOC. Due to the latent heat of icebergs, the uppermost layers of the ocean, where melt takes place, cool. This reduces the iceberg melt and prolongs the lifetime of icebergs, allowing them to travel further away from the source region. This enhances iceberg melt in the north-eastern North Atlantic where it affects the deep water formation. The cooling occurring is a consequence of the strong hosing, and the resulting weak AMOC has a qualitatively similar effect on the distribution of the iceberg meltwater flux. In a long-term transient simulation with the MPI-ESM-Iceberg set-up that is coupled to an ice sheet and solid earth models, the Eulerian iceberg module demonstrates its ability to simulate Heinrich events and resulting changes in iceberg meltwater distribution. The pattern of iceberg meltwater flux compares well with the reconstructed distribution of ice rafted debris from deep-sea sediment cores in the North Atlantic. To sum up, a computationally cheap way to introduce icebergs in a stan- dard ESM has been presented, and its suitability for long-term simulations has been demonstrated. The results presented in this thesis emphasize that for hosing experiments and long-term transient simulations of glacial and deglacial climate, a direct simulation of icebergs is necessary.
Obwohl es allgemein bekannt ist, dass Eisberge eine wichtige Rolle für die Simulation des Glazialklimas spielen (z.B. bei Heinrich Events), wird deren Effekt in den Klimamodellen des Climate Model Intercomparison Projects (CMIP) ignoriert. Die bisher existierenden Eisbergmodule sind im Lagrangeschen Referenzsystem formuliert. Dieses Referenzsystem ist ideal zum Verfolgen von individuellen Eisbergen. Der Haupteffekt von Eis- bergen auf das Klimasystem ist jedoch das Hinzufügen von Frischwasser durch Schmelzen. In dieser Arbeit, präsentiere ich ein neues Eisbergmodul im Eulerschen Referenzsystem. Dieses Eisbergmodul wird dem Max Planck Institute Earth System Model (MPI-ESM) hinzugefügt und erlaubt es nun, den Effekt von Eisbergen auf das Klima und Rückkopplungseffekte zwis- chen diesen beiden Komponenten zu untersuchen. Das neue Modul wird in einer Reihe von gekoppelten Simulationen mit dem MPI-OM Ozeanmod- ell mit vorgeschriebenen beobachteten Eisbergkalbungsflüssen getestet. Diese Simulationen erlauben es, das neue Model mit beobachteten Eis- bergverteilungen zu vergleichen. Weiterhin wird die Sensitivität des Eis- bergmoduls gegenüber der Wahl mehrerer Modelparameter getestet. Hi- erbei wird ein Satz optimaler Modelparameter mit dem Fokus auf einen plausiblen Eisbergschmelzwasserfluss ermittelt. Der Effekt von Eisbergen im Zuge starker Eisbergkalbungsereignisse(z.B. Heinrichereignisse) wird in einer Reihe von Simulationen mit dem komplet- ten MPI-ESM-Eisberg Setup untersucht. In diesem Satz von Experimenten werden kritische Grenzwerte der Sensitivität der Atlantischen Meridionalen Umwälzzirkulation (AMOC) fgegenüber Frischwasserzufuhr bestimmt. Da- her wird die Frischwasserzufuhr in allen Experimenten langsam verän- dert, wobei verschiedene Methoden der Frischwasserzufuhr miteinander verglichen werden. Zusätzlich zu einer Simulation, in der die Frischwasser- zufuhr durch Eisberge in der Hudsonstra¨sse erfolgt, werden noch zwei weit- ere Methoden der Frischwasserzufuhr untersucht. Zum Einen eine Punk- tquelle in der Labradorsee in der Nähe der Hudsonstra¨sse und zum Anderen ein konstanter Frischwassereintrag zwischen 50 und 70 Grad Nord. Die Ergebnisse für vorindustrielle Klimabedingungen zeigen, dass die Sensitiv- ität der AMOC sehr stark von der Methode der Frischwasserzufuhr abhängt. Der Grenzwert für eine abrupte Abschwächung der AMOC in dem Experi- ment mit einem konstanten Frischwassereintrag zwischen 50 und 70 Grad Nord ist viermal niedriger als für das Experiment mit der Punktquelle in der Labradorsee. Der Grenzwert für das Eisbergexperiment liegt ungefähr in der Mitte der beiden anderen Frischwasserzufuhrexperimente. Eine Reihe ähnlicher Experimente mit Klimabedingungen repräsentativ für das Letzte Glaziale Maximum (LGM, vor 21,000 Jahren) wurde durchge- führt um den Effekt des Hintergrundklimas auf die vorherigen Resultate zu untersuchen. Der Mechanimus der nordatlantischen Tiefenwasserbil- dung (NADW) ist deutlich unterschiedlich im Vergleich zum vorindustriellen Experiment. Unter LGM Bedingungen, findet die Bildung von NADW im arktischen Mittelmeer und im europäischen Nordmeer statt aufgrund von Salzlakenfreisetzung während der Meereisbildung. Dieser Prozess führt dazu, dass die AMOC in diesen Eperimenten widerstandsfähiger gegenüber Frischwasserzufuhr ist und kein abrupter Zusammenbruch der AMOC auftritt. Der Unterschied zwischen den verschiedenen Methoden der Frischwasserzu- fuhr ist auch deutlich geringer als unter vorindustriellen Klimabedingungen. Eine Reihe weiterer Experimente wurde durchgeführt um den Effekt der Wärme des Eisbergschmelzens und dessen Auswirkung auf die AMOC zu untersuchen. Obwohl der Effekt der latenten Wärme deutlich geringer ist als der direkte Effekt des Eisbergschmelzwasserflusses, spielt er doch eine wichtige Rolle für die AMOC. An dem Ort, an dem die Eisberge schmelzen, führt die latenten Wärme der Eisberge zu einer Abkühlung der obersten Ozeanschichten. Dieser Prozess reduziert die Schmelzrate und verlängert zugleich die Lebenszeit der Eisberge, die weiter weg von ihrem Entste- hungsgebiet getrieben werden können. Der Transport über eine größere Entfernung führt zu einem verstärkten Schmelzen von Eisbergen in dem östlichen und nördlichen Teil des Nordatlantiks, wo es Einfluss auf die Tiefenwasserbildung nimmt. Ein Abkühlen als Konsequenz der starken Frischwasserzufuhr und einer daraus resultiertenden schwachen AMOC hat einen ähnlichen Effekt. In einer langen transienten Simulation (ca. 40,000 Jahre) mit dem MPI- ESM-Eisberg Setup und interaktiven Eisschild- und Geodynamikmodell konnte getestet werden, ob das Eisbergmodul Heinrichereignisse und damit in Verbindung stehende Eisbergkalbungsereignisse erfolgreich simulieren kann. Die Eisbergverteilung in der Simulation liefert hierbei gute Vergle- ichswerte mit aus marinen Sedeimentbohrkernen abgeleiteten Eisbergvert- eilungen aus dem Nordatlantik. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit ein effizientes und schnelles Eisbergmodul in ein bestehes Erdsystemmodell implementiert. Die Effizienz des Moduls erlaubt es lange (>40,000 Jahre) Simulationen durchzuf- ühren. Die hier vorgestellten Resultate heben die Wichtigkeit der Meth- ode der Frischwasserzufuhr hervor und betonen die Notwendigkeit der ex- pliziten Modellierung von Eisbergen für Kalbungsexperimente und lange Simulationen mit glazialem Klima