Enhancing seasonal-to-decadal Prediction Of Climate for the North Atlantic Sector and Arctic

Tilstander i havet varsler klima EPOCASA har tatt de første stegene for å forme operasjonell klimavarsling i Norge som kan være verdifull for det norske samfunn og norsk økonomi. På den nordlige halvkulen opplever vi variasjoner i klima som kan vedvare i flere tiår. Den siste tiden har vi sett endringer som inkluderer en rekke kalde vintre. Dette understreker behovet for å forstå og varsle klimaendringer fra en sesong til ti år fremover i tid. EPOCASA sitt mål har vært å undersøke hvor forutsigbart klimaet er Arktis og i den nordatlantiske regionen. For å nå dette målet har vi analysert observasjoner, utviklet og tatt i bruk den norske klimavarslingsmodellen NorCPM (Norwegian Climate Prediction Model). Denne modellen kombinerer avansert dataassimilering (med Ensemble Kalman Filter) og den norske jordsystemmodellen NorESM (Norwegian Earth System Model). Forskerne i EPOCASA har vist at klimaet i våre områder kan bli varslet flere år på forhånd basert på kunnskap om tilstanden i havet. Temperaturendringer i Norskehavet, Barentshavet og Karahavet påvirker det lokale klimaet gjennom varmetap til atmosfæren. Mange av disse temperaturendringene kan ses i sammenheng med uvanlig kaldt eller varmt vann som beveger seg med Golfstrømmen og dens forlengelse fra Nord-Atlanteren og nordover via Norskehavet. Vannmassenes bevegelser i havstrømmene fra Golfstrømmen og videre nordover mot Arktis, tar flere år. Fra observasjoner de siste 60 årene ser vi episoder med uvanlig kaldt eller varmt vann gjentas flere ganger. Vi kan derfor følge forflytningen av vanntemperatur i havstrømmene nordover, noe som gjør temperaturendringer i Norskehavet forutsigbare. Gjennom EPOCASA-prosjektet har vi også fått en bedre forståelse av forutsigbar variasjon av klima i Nord-Atlanteren. Dette er oppnådd ved å analysere både observasjoner og eksperimenter med klimamodeller. Vi ser at tre typiske tidsskalaer skiller seg ut; mellomårlig, over flere tiår og en lengre tidsskala på hundreår. Det er tre grunner til at variasjoner på tidsskalaen over flere tiår er av størst interesse: ? med denne tidsskalaen kan vi se hvordan havet påvirker den store sirkulasjonen i atmosfæren ? en to-veis vekselvirkning mellom havet og atmosfæren kan forsterke variasjonen ? en spredning av vannmasser med høy saltholdighet til Labradorhavet og Irmingerhavet kan forårsake en mer intens blanding av vannmassene der. Dette kan igjen føre til at den storskala horisontale havsirkulasjonen i Nord-Atlanteren blir sterkere. For å kunne gjenskape disse tiårige mekanismene i klimamodellene, må modellene ha både en høy oppløsning i havet (som et fotokamera med mange piksler) og kunne representere stratosfæren. Den norske klimavarslingsmodellen har gått igjennom en omfattende utvikling. En mengde ulike typer data har blitt assimilert i varslingsmodellen for ulike tidsperioder som strekker seg tilbake til 1950. Vi har produsert to havanalyser: én som er basert kun på havoverflatetemperatur og én som er basert på både havoverflatetemperatur og hydrografiske profiler fra havdypet. Det er helt tydelig at det er en fordel å assimilere på tetthetsflatene til havet i klimavarslingsmodellen til forskjell fra dybde i havet. Med den norske klimavarslingsmodellen kan vi varsle El Niño og gjentakende svingninger i Stillehavet 2-3 sesonger i forveien med en treffsikkerhet som tilsvarer de beste varslene som er tilgjengelige fra andre modelleringssentre. Den norske klimavarslingsmodellen viser bedre treffsikkerhet i Nord-Atlanteren på tiårig tidsskala, når vi sammenligner med standard klimaprojeksjoner uten assimilering. Vi har også undersøkt treffsikkerheten til tre andre klimavarslingsmodeller i De nordiske hav og Barentshavet. Alle modellene har treffsikkerhet i noen områder, men det er liten overenstemmelse mellom modellene. Årsakene til dette kan være ulike assimileringsmetoder og ulikt klima i modellene. Oppløsningen i havet kan være en årsak. Den norske klimavarslingsmodellen viser at tiårige variasjoner i Stillehavet er med på å forklare oppvarmingen av Arktis i tidsperioden fra 1920 til 1940, sammen med solinnstråling og variasjon over flere tiår i Atlanterhavet. Vi viser også at forskjeller mellom ulike modeller dominerer usikkerheten i klimaprojeksjoner for sirkulasjonen i Nord-Atlanteren, og at pådriv fra vulkaner bør også regnes med i usikkerheten. Forskerne i EPOCASA har også utformet to statistiske modeller basert på observasjoner. En statistisk modell viser at målinger av varmetransport i havet kan bli brukt til å varsle sjøisdekket i Barentshavet på vinterstid. Mer enn 50% av sjøisvariasjonen kan bli varslet opp til to år i forveien. En annen statistisk modell viser at lufttemperaturen og nedbør over Norge kan bli varslet flere år i forveien basert på kjennskap til tilstanden i havet. For de kommende årene kan vi for Norge varsle at lufttemperaturen over land vil synke.

During the last decade global surface temperatures rose less rapidly than in the preceding decades. The northern hemisphere saw a spate of harsh winters. The 2012/2013 winter, for example, saw extremely cold temperatures and high snowfalls across Europe a nd eastern North America, and one of the driest March in Western Norway since reliable observations started around 1900. At the same time the Arctic experienced extreme warming and accelerated sea ice loss, culminating in the record-low of September 2012. While anthropogenic global warming may explain much of the recent changes, the northern hemisphere climate fluctuates strongly on timescales of several decades. EPOCASA aims to assess the extent to which these changes are predictable, by developing and applying a dynamical climate prediction system that focuses on the North Atlantic Sector and Arctic. EPOCASA is motivated by several recent advances: the demonstration that subpolar North Atlantic sea surface temperature (SST) are predictable on seasonal- to-decadal timescales, with observed links to the Nordic Seas and Arctic; potential role of stratosphere-troposphere interactions in the atmospheric response to tropical and extra-tropical SST, sea ice, and snow cover variations; as well as the need to re duce model systematic error and develop more advanced forecast initialisation techniques. We will analyse observations and perform extensive model simulations to assess the potential of these factors to enhance climate prediction in the region. The EPOCA SA prediction system couples an advanced data assimilation method (the Ensemble Kalman Filter) to the current version of the Norwegian Earth System Model, building upon developments initiated at the Center for Climate Dynamics at the Bjerknes Center. It w ill be first seasonal-to-decadal climate prediction capability in Norway, paving the way for operational climate prediction that will be of direct benefit to norwegian society and economy.