THE CHANGING ARCTIC CRYOSPHERE : SNOW AND SEA ICE IMPACT ON PREDICTION AND CLIMATE OVER EUROPE AND ASIA

Klimaendringene skjer raskt i Arktis, og klimamodellene antyder at vi kan forvente ytterligere omfattende endringer i dette århundret. Den globale oppvarmingen er ekstra kraftig på høye nordlige breddegrader, der lufttemperaturen ved overflaten har økt dobbelt så raskt som det globale gjennomsnittet de siste tiårene - en effekt som kalles arktisk forsterkning. Den raskt krympende havisen i Arktis har blitt det mest synlige aspektet ved klimaendringer. I tillegg har Europa, Nord-Amerika og Øst-Asia opplevd unormalt kalde vintre med rekordmye snø. Dette skyldes blant annet en økt forekomst av kaldluftsutbrudd fra nord. De raske endringene i både snø- og isutbredelse i nordområdene kan påvirke den vær og ekstremvær også på lavere breddegrader. Det er derfor et behov for å bedre forstå sammenhengene mellom krympingen av den arktiske havisen om sommeren og dannelsen av snømasser i Eurasia påfølgende høst, og hvilke virkninger disse har på vinterværet. Det overordnede målet med SNOWGLACE er å forbedre vår forståelse av komplekse sammenhenger og tilbakekoblingsmekanismer i den arktiske regionen, deres rolle i de raske klimaendringene i nord, samt deres virkninger på ekstremvær på middels til høye breddegrader. Prosjektet tar også sikte på å vurdere effekten av skiftende havis og snødekke på forutsigbarheten av ekstremvær på sesongtidsskala. Nye resultater fra prosjektet: Klima re-analyser både over den siste Arktis oppvarming og begynnelsen av det 20. århundre Arktis oppvarming har vist lignende koblinger mellom havis reduksjon over Barentshavet og oppbygging av snø over deler av Sibir. Barentshavet har blitt identifisert som en nøkkelregion der variabiliteten av havisen i juni utøver den mest signifikante effekten på det østasiatiske sommerfallet. En reduksjon av havis i juni avtrekker uregelmessig oppadgående luftbevegelse på grunn av sterk termisk tvinge i nærheten av overflaten, noe som videre utløser en øst-vest Rossby bølge kjent som Silk Road-mønstret. Den strekker seg til Øst-Asia. Snødybdens rolle om temperatur en måned fremover på den nordlige halvkule har blitt uttalt for forskjellige årstider, i forhold til andre prediktorer som jordtemperatur eller jordfuktighet. Snødybde er en viktig prediktor når, og hvor, den mellomliggende variasjonen er stor: om våren og høsten ved høye breddegrader, og om vinteren på lavere breddegrader. For å demonstrere at snøinitialisering påvirker overflatetemperaturen over Eurasia og kan forbedre modellenes prediksjonsferdighet, gjennomførte vi en stor ensemble sesongbaserte simuleringer med den norske klima modellen NorCPM. NorCPM består av den norske jordsystemmodellen (NorESM) og avanserte initialiserings- og assimilasjonsteknikker for å foreta initialiserte spådommer. Resultatene viser at snøinitialisering forbedret prediksjonsevnen for vintertemperaturen over Eurasia, inntil 2 måneder i forveien. Fordelene og viktige praktiske implementeringer for assimilering av sjøis konsentrasjon i NorCPM har blitt undersøkt i et perfekt modellramme. For det første er det funnet at en strømningsavhengig, sterkt koblet havsjø-is assimileringsmetode overgår svak koblet (bare havsjøis) assimilering. Utvide havsoppdateringene under blandet lag er litt gunstig for det arktiske hydrografiet. For det andre, ved å bruke en multikategori sjøis, reduseres feilene i istilstanden. Vi fant en viktig rolle for Atlanterhavets Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) ved å modulere atmosfærisk respons på den nedslående arktiske sjøisen, med snødekke og stratosfæren som spiller en rolle i forbindelsene. Vi oppdaget at sjøoverflatetemperaturer over Atlanterhavet modulerer atmosfærisk respons på sjøisfallet. I løpet av en kald AMO-fase fører økt Ural-blokkeringsaktivitet og tilknyttet nordlig kaldluftadveksjon og fukttransport fra Arktis til en utvidet snøpakke og et avvik fra det kalde Eurasiske kontinentet i desember. Den forbedrede oppadgående forplantningen av planetbølger i stratosfæren over Sibir-Stillehavet fører til en svekket stratosfærisk polar vortex og en negativ arktisk oscillasjon (AO) fase på overflaten i februar. Vi har også funnet ut at den nordamerikanske snødekselet påvirker den Eurasiske overflatetemperaturen nedstrøms med en 1 månedsforsinkelse, gjennom en mekanisme som involverer sjøoverflatetemperaturer og synoptiske værsystemer over Nord-Atlanteren. Et annet resultat er at den stratosfæriske plutselige oppvarmingen i februar 2018, knyttet til kald luftutbrudd over Europa, Asia og Nord-Amerika, var forbundet med en Ural-blokkeringsaktivitet og høyt snødeksel over Øst-Eurasia, sistnevnte bidrar til å intensivere oppover bølgeutbredelse.

We demonstrated the impact of snow on surface temperature persistence and forecasts, and the benefits of the assimilation of sea ice concentration in the Norwegian Climate Prediction Model. The project has served to further develop the capabilities of NorCPM, most notably the snow and sea ice initialisation. We found an important role of the sea surface temperatures in modulating the atmospheric response to the declining Arctic sea ice. Thanks to the support of this project, the project leader has been able to initiate a first international SNOWGLACE initiative about the impact of snow initialisation on seasonal forecasts, sponsored by the WMO WCRP working group on Seasonal-to-Interannual Prediction (WG-SIP) (http://www.wcrp-climate.org/index.php/wgsip-overview), and is one of the three scientific initiatives from WG-SIP. The project has cemented a strong scientific collaboration between NILU and several institutes in China, in particular with the Nansen-Zhu Centre.

Arctic summer sea-ice extent exhibits a sharp declining trend, and the induced atmospheric warming at high latitudes in autumn has potentially important consequences for the climate of Europe and Asia. On the other hand, North America, Europe, and East Asia have experienced anomalously cold winters with record high snowfalls during some recent winters. The autumn snow cover over Eurasia is increasing, while in spring, the snow decline at high northern latitudes is the largest cryospheric change in terms of spatial extent. To examine the impact of the changing Arctic cryosphere, both land and sea ice, as a predictor of Eurasian climate at the seasonal time scale using advanced dynamical prediction systems is the central theme of this proposal. A key geographical focus will be Europe and Asia, with a strong involvement of partners in Japan, Korea and China. We will focus on the sea ice retreat influence onto the Eurasian snowpack in autumn as a link to winter weather anomalies, and address the cryospheric influence on mid-latitude extreme weather events, such as cold air outbreaks, blockings or heat waves. To this end, we will carry out ensemble seasonal simulations with NorCPM and coordinate an international initiative to investigate the effect of snow on sub-seasonal to seasonal forecasts, and other simulations with realistically initialised sea ice and snow. The results will be examined in the context of a multi-model framework. The implications of projected accelerating Arctic sea ice cover disappearance in a warming world are wide ranging. Hence, a secondary objective is to allow Norwegian scientists to participate and play a leading role in international programmes on cryosphere-climate interactions, for example by promoting the use of the Norwegian prediction and climate models in multi-model assessments