Klima und Ozeanzirkulation der Frühen Kreide im Kiel Climate Model

Blöhdorn, Janine

Die frühe Kreide (~ 110 Ma) gehört zu den wärmsten Perioden des Phanerozoikums. Zu dieser Zeit empfing die Erde etwa 1 % weniger solare Einstrahlung als in der Gegenwart, während die atmosphärischen Kohlenstoffdioxidkonzentrationen im Bereich von 800-2000 ppm lagen. Proxydaten lassen im globalen Mittel Temperaturen von mehr als 20°C naheliegen, die von einem abgeschwächten meridionalen Gradienten der Oberflächentemperatur und einem verstärkten Wasserkreislauf begleitet wurden. Der Atlantische Ozean war noch nicht geöffnet und der proto-Pazifik sowie die Tethys in den niedrigen Breiten erlaubten die Bildung einer zirkum-tropischen globalen Ozeanströmung. Obwohl sich die Verteilung der Kontinente und die Strahlungsbedingungen sehr von den heutigen Bedingungen unterscheiden, wird die Kreidezeit häufig als Analogon für potentielle CO2-reiche Klimascenarios für die Zukunft herangezogen. Weiterhin lassen geologische Informationen über anoxische Ereignisse im Ozean die Frage aufkommen, inwieweit die Ozeanzirkulation und die verstärkte Frischwasserzufuhr von Land die Entstehung solcher Ereignisse begünstigt hat. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie das Klima und die Ozeanzirkulation der frühen Kreide mit dem Kiel Climate Model (KCM), einem gekoppelten Atmosphären-Ozean-Klimamodell, simuliert wird. Für die Atmosphäre liegt der Schwerpunkt dabei auf den Oberflächenbedingungen, dem Wasserkreislauf und dem atmosphärischen Zirkualtionsmuster. Die Untersuchung der Ozeanzirkulation beinhaltet die horizontale Oberflächenströmung, die meridionale Umwälzzirkulation und Regionen mit Zwischen- oder Tiefenwasserbildung. Dabei zeigt das für die frühe Kreide simulierte Klima eine starke Erwärmung, die mit einem verstärkten Wasserkreislauf einhergeht. Während die horizontale Zirkulation in der Atmosphäre eine signifikante Verstärkung aufweist, ist die allgemeine Zirkulation schwächer als heutzutage. Der sehr stabil geschichtete Ozean ermöglicht nur eine schwache Umwälzzirkulation mit Zwischenwasserbildung in den hohen Breiten des Pazifiks und der subtropischen Tethys. Es wurde keine signifikante Tiefenwasserbildung wurde. Moderate Transportraten in das arktische Becken und starke Frischwasserzufuhr von Seiten der nördlichen Kontinente generieren einen isolierten und stark geschichteten Arktischen Ozean ohne Konvektion. Diese Bedingungen bieten optimale Randbedingungen für die Entstehung von anoxischen Wassermassen. In niedrigen Breiten verursachen intensivierte tropische und subtropische Zellen eine starke flache Umwälzzirkulation. Im tropischen Ostpazifik existiert eine interannuale Variabilität, die in ihren statistischen Merkmalen dem heutigen ENSO-Phänomen ähnelt.

The Early Cretaceous (~ 110 Ma) was one of the warmest periods during the Phanerozoic. During this time, Earth received about 1% less solar radiation compared to the present value, while the atmospheric carbon dioxide concentration was in the range of 800-2000 ppm. Proxy data suggest global mean temperatures higher than 20°C, a reduced meridional surface temperature gradient, and an enhanced hydrological cycle. The Atlantic Ocean was yet to evolve and the Proto-Pacific and the Tethys Seaway in the low latitudes allowed a circum-tropical oceanic flow. Although continental configuration and radiative forcing were different from the modern, the Early Cretaceous climate has been widely used as an example for a potential future high-pCO2 world. Furthermore, geological information about Oceanic Anoxic Events (OAEs) raised the question of how the ocean circulation and the enhanced runoff from land might have supported the formation of OAEs. The climate and ocean circulation during the Early Cretaceous is presented as simulated by the Kiel Climate Model (KCM), a fully coupled atmosphere-ocean general circulation model. For the atmosphere the focus is set on the surface climatology, the hydrological cycle, and the atmospheric circulation patterns. The discussion of the ocean circulation includes the horizontal surface flow, meridional overturning circulation, and regions of formation of intermediate and/or deep waters. As a result the simulated Early Cretaceous climate shows a strong warming associated with an enhanced hydrological cycle. The horizontal circulation throughout the atmosphere shows a significant strengthening, whereas the general circulation is weaker than today. The Cretacous ocean is characterized by a very stable stratification and allows weak overturning with the formation of intermediate water in the high-latitude Pacific and subtropical Tethys. No significant deepwater formation is simulated. The Arctic basin did not allow convection and might have provided a favourable environment of anoxic conditions. In low latitudes strengthened tropical ans subtropical cells provide intensified shallow overturning rates and in the eastern tropical Pacific interannual variability shows similar statistical features than the present-day ENSO.

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Blöhdorn, Janine: Klima und Ozeanzirkulation der Frühen Kreide im Kiel Climate Model. 2013.

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