The oceanic response to Greenland melting: the effect of increasing model resolution

Behrens, Erik

This study investigates the oceanic response to an enhanced melting of the Greenland Ice Sheet. A series of forced ocean simulations with different horizontal resolutions from 0.5° to 0.05° is used. The main focus is to investigate the oceanic behaviour to a freshwater input within models of different horizontal resolutions and differing in the representation of mesoscale processes. In particular, the role of the mesoscale eddies on the spreading of freshwater in the subpolar North Atlantic is assessed. Two melting scenarios are realised, a strong meltwater release of 0.1 Sv as diagnosed by model data of climate models under high CO2 conditions, and a more realistic melting scenario, where the diagnosed melting trend of 0.53 mSv/a from 1990 - 2009 is used. The simulations are based on the NEMO ocean sea-ice model and cover resolutions from coarse 0.5° (ORCA05), to eddy-permitting 0.25° (ORCA025), and to eddy-resolving 0.05° (VIKING20). VIKING20 is a new model development, and is based on a local grid refinement approach to reach grid sizes of about 3 km around Greenland. In the both melting scenarios, the coarse resolution models (ORCA05 and ORCA025) suggest a prominent spreading of the meltwater from the Labrador Sea across the North Atlantic into the Nordic Seas. This hinders the formation of dense water masses, leading to an ongoing reduction in the AMOC. Conversely, results from VIKING20 reveal that mesoscale processes have a distinct potential to counteract the effect of the additional meltwater from Greenland. In comparison to coarser configurations, VIKING20 exhibits an equatorward export of meltwater from the Labrador Sea within the Deep Western Boundary Current and the potential to store meltwater in the northern Gulf Stream recirculation gyre. This results in less meltwater reaching the convection region of the Nordic Seas, and consequently in the realistic melting scenario no response in the AMOC is seen over three decades. The flow path of the North Atlantic Current, in particular the representation of the North-West Corner, is found to be a key factor determining the spread of freshwater in the North Atlantic. The presence of the North-West Corner, realistically reproduced in VIKING20, inhibits an enhanced eastward spreading of meltwater anomalies across the North Atlantic, preventing a pronounced freshwater leakage from the Subpolar Gyre into the Subtropical Gyre via the east Atlantic. This freshwater leakage is enhanced in both coarse configurations, especially in the strong melting case. In this artificial melting scenario the freshwater forcing predominates, such that the equatorward export along the North American coast and the presence of the North-West Corner are of minor importance in determining the oceanic response to meltwater spreading. Whereas in this case all configurations behave similarly and show a decline of the AMOC of about -40 % to -60 % after four decades, the AMOC reacts much less to the realistic melting scenario. These results emphases the need in climate projections to strive for both, realistic Greenland melting rates and represent mesoscale processes properly.

In dieser Studie wurden die ozeanischen Auswirkungen auf ein verstärktes Abschmelzen des Grönländischen Eisschildes untersucht. Eine Serie von angetriebenen Ozeanmodellen mit unterschiedlicher horizontaler Auflösung von 0.5° bis 0.05° wurde hierfür benutzt. Der Hauptfokus der Untersuchung liegt auf den ozeanischen Auswirkungen auf den Schmelzwassereintrag und deren Auflösungsabhängigkeit. Im Besonderen ist die Rolle von mesoskaligen Wirbeln auf die Schmelzwasserausbreitung im Nordatlantik untersucht wurden. Zwei unterschiedliche Abschmelzszenarien wurden durchgeführt: ein Szenario mit starkem Schmelzwassereintrag von 0.1 Sv, wie er unter sehr hohen CO2 Konzentrationen eintreten könnte und ein Szenario in dem der diagnostizierte Trend von 0.53 mSv/Jahr (1990-2009) verwendet wurde. Die Simulationen basieren auf dem NEMO Ozean-Seeeis-Modell und nutzen Auflösungen von groben 0.5° (ORCA05), wirbelerhaltenden 0.25° (ORCA025) und wirbelauflösenden 0.05° (VIKING20). Die VIKING20 Konfiguration ist eine Neuentwicklung und basiert auf einen lokalen Gitterverfeinerungsansatz, der es erlaubt Gitterweiten von ungefähr 3 km um Grönland zu erreichen. In beiden Abschmelzszenarien zeigen die groben Modelle (ORCA05 und ORCA025) eine starke Schmelzwasserausbreitung von der Labrador See über den Nordatlantik in das Europäische Nordmeer. Dies beeinträchtigt die Bildung von dichten Wassermassen in dieser Region und führt zu einer fortschreitenden Abnahme der “AMOC”. Ergebnisse von VIKING20 zeigen im Gegensatz dazu ein deutliches Gegenwirkungspotential der mesoskaligen Wirbelprozesse auf das zusätzliche Schmelzwasser. Im Vergleich zu den gröberen Konfigurationen zeigt VIKING20 ein verstärken Export des Schmelzwasser von der Labrador See, teilweise mit dem tiefen westlichen Randstromes, nach Süden und die Fähigkeit das zusätzliche Schmelzwasser in der nördlichen Golfstromrezirkulation zu speichern. Dies führt dazu, dass weniger Schmelzwasser das Europäische Nordmeer erreicht und damit keine Reaktion der “AMOC” im realistischen Abschmelzszenario über drei Dekaden hervorgerufen wird. Es wurde herausgefunden, dass der Pfad des Nordatlantischen Stromes, ins besonderen die Repräsentation der “North-West Corner”, entscheidend für die Schmelzwasserausbreitung im Nordatlantik ist. Das Vorhandensein der “North-West Corner”, welches in VIKING20 der Fall ist, hemmt einen verstärkten Schmelzwasserexport, ausgehend vom Subpolaren Wirbel über den Ostatlantik in den Subtropischen Wirbel. In den beiden grob aufgelösten Konfigurationen und einem starken Abschmelzen von Grönland, ist dieser Exportpfad besonders deutlich. In diesem idealisierten Abschmelzszenario dominiert der Schmelzwassereintrag die ozeanische Reaktion und der nach Süden gerichtete Export von Schmelzwasser entlang der Amerikanischen Küste und das Vorhandensein der “North-West Corner” sind von geringerer Bedeutung. Dies resultiert in einer ähnlichen Abnahme der AMOC von -40 % bis -60 % über vier Dekaden, ungeachtet der Modellkonfiguration. In dem realistischen Abschmelzszenario fällt diese Reduktion der “AMOC” deutlich geringer aus. Die Ergebnisse bekräftigen die Notwendigkeit in zukünftigen Klimaprojektionen sowohl realistische Abschmelzraten also auch mesoskalige Prozesse zu berücksichtigen.

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Behrens, Erik: The oceanic response to Greenland melting: the effect of increasing model resolution.

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