Overturning circulation and its implications for global carbon cycle in coupled models

Pågående klimaendringer forventes å endre sirkulasjonen i havet. Prosjektet ORGANIC ( Overturning Circulation and its Implications for Global Carbon Cycle in Coupled Models) sitt mål er å forbedre forståelsen av struktur og variabilitet i havets storskala sirkulasjon, samt dens innvirkning på klima og havbiogeokjemi over ulike tidsskalaer. Ved å anvende en modell i verdensklasse, den norske jordsystemmodell (NorESM), kartlegger vi stabiliteten til den storskala termohaline sirkulasjonen over tid, samt dens romlige utbredelse, som respons på klimaendringer. Under et tidligere antatt stabilt preindustrielt klima finner vi betydelig variasjon i styrken til omveltningen som kalles AMOC (Atlantic Meridional Overturning Circulation), som opererer på tidsskalaer fra 2-3 år til 60-200 år. Sirkulasjonsendringene som går over 60-200 år er av en tidsskala lik klimatidskalaen, og er funnet knyttet sammen med variasjonen i varmetransport til det subpolare Nord-Atlanterhavet og Nordsjøen. Etter som tiden går sprer dette signalet seg også inn i havets indre. Utover dette rent fysiske fotavtrykket, påvirker endringer i AMOC-styrke også biologien, mer spesifikt fordelingen av biogeokjemiske sporstoffer som er viktige for det marine økosystemet. Modellsimuleringene viser at omveltningsprosessen i havet er hovedmekanismen for transport av antropogen karbon og oksygen som tas opp fra atmosfæren, til havets indre. Følgelig vil endringer i AMOC-styrken endre havforsurning og deoksygenering. Med et stadig varmere klima, forventer man en videre svekkelse av omveltningsprosessene, noe som vil øke deoksygeneringen mens forsuringen fortsetter. Resultatene våre viser at de dyptgående innvirkningene på havets indre vil fortsette i flere tusen år, selv om vi klarer å redusere de pågående klimaendringene. Utviklingen av en politikk for langsiktig klimatilpasning bør skje etter en nøye vurdering av endringene man ser i havsirkulasjonen, og overvåking av disse endringene bør derfor være et område med høy prioritet i klimaforskningen.

Project outcomes: - Improved dynamical understanding of the ocean physics-biogeochemistry interactions. - Advanced understanding of delayed climate change impact on ocean ecosystems. - New methodologies for accelerated spin-up and more efficient model development. - Trained three early-career scientists in new and growing interdisciplinary fields. - Improved leadership, management, and supervision skills of the project leader. - High number of publications in internationally leading journals. Project impacts: - Increased national and international profiles of project scientists through new publications and dissemination. - Invitations to international workshops to present project findings. - Established new interdisciplinary research activity at the Bjerknes Centre, linking biogeochemistry and paleoceanography. - New networks between the project team and international paleoclimate scientists. - Advanced framework for model development, reduces computational cost.

ORGANIC applies for funding to study the physical and biogeochemical interactions in the climate system using state-of-the-art model system. The project will enhance our knowledge in climate variability simulated by the NorESM model and identify uncertainty that comes with its future projections. The focus is to elucidate the linkage between large scale overturning circulation with the biogeochemical cycling in the ocean. This link is necessary since hydrography tracers such as temperature and salinity do not give us a comprehensive overview on the overturning circulation. On the other hand, biogeochemical tracers such as nutrient and CFCs are closely tied to the ocean circulation and can be used as indicators for patterns and ventilation rates of the ocean. Due to the non linear interactions between climate and ocean carbon cycle, it is vital for an Earth system model to accurately simulate the relevant former and latter processes individually as well as interactively in order for it to produce a sound future climate projections. The outcome of ORGANIC will be of highly relevant for both global and regional climate studies, particularly in regions where the ocean ventilation will be perturbed by anthropogenic forcing. The work is divided in three work packages: WP1: Sensitivity of thermohaline circulation patterns and rates WP2: Equilibrium states of ocean biogeochemistry WP3: Marine sediment dynamics The proposed interdisciplinary work will involve scientists from natural, mathematical and computational scientists. The study utilizes the nationally developed Norwegian Earth system model and observational sets from contemporary and paleo periods. The methods that will be developed throughout the project, the Matrix Free Newton Krylov, will provide novel and efficient approach to increase our understanding in the sophisticated interactions between the physical and biogeochemical processes in the climate system.