Solar effects on natural climate variability in the North Atlantic and Arctic

Selv om det er sterke bevis for at globale klimaendringer i hovedsak skyldes økte utslipp av klimagasser, er det fortsatt knyttet stor usikkerhet til bidragene fra naturlige klimavariasjoner. Sistnevnte inkluderer solens 11-årige syklus som kan påvirke temperaturen regionalt, selv uten å påvirke den globale gjennomsnittstemperaturen i nevneverdig grad. Nyere studier indikerer at sirkulasjonsmønstre i atmosfæren om vinteren, som den nordatlantiske oscillasjonen (NAO), kan være modulert av solsyklusen. Siden NAO er det dominerende værmønsteret over Atlanterhavet og Europa vil en bedre forståelse av de styrende mekanismene og mulig forutsigbarhet av NAO og lignende værmønstre derfor være særdeles viktig, ikke bare fra et vitenskapelig ståsted, men også sett i lys av økonomiske og samfunnsmessige behov. SOLENA har brukt en ny generasjon av koblede hav og atmosfære klimamodeller som inkluderer relevant kjemi også i den midlere atmosfæren (50-100 km). SOLENA har hatt et spesielt fokus på samspillet mellom atmosfæren og havet. Ny innsikt i solens rolle i klimasystemet vil i tillegg til å forbedre de dekadiske klimaprediksjonene for Nord-Europa, Nord-Atlanteren og Arktis, også være relevant for forståelsen av fjernvirkninger med Stillehavsområdet. Det internasjonale klimapanelet (IPCC) Coupled Model Intercomparison Project 6 (CMIP6) anbefaler nå et solpådriv i langsiktige klimasimuleringer som ikke bare består av solstråling, men også av energirike partikler fra sola. Nye simuleringer har blitt utført ved hjelp av dette nye CMIP6 eller andre datasettet i en global klimamodell som representerer øvre deler av atmosfæren. De koblede hav-atmosfæresimuleringene med NorCPM (Norwegian Climate Prediction model) er utført for å undersøke den relative viktigheten av solstråling og elektroner gjennom solsyklus 23. Sistnevnte inkluderer både lavenergielektroner assosiert med aurora og de mer energirike elektronene som noen ganger trenger inn i mesosfæren, for det meste i den fasen av solsyklusen hvor solenergien avtar. Strålingspådrivet under solens maksimum endrer temperaturer og vind i stratosfæren og fører til en tydelig positiv NAO-respons om vinteren. Denne NAO-responsen følger solsyklusen med et NAO -toppunkt under solens maksimum. Ifølge våre resultater ser dermed hav-atmosfære-koblingen altså ikke ut til å være sterk nok til å gi en forsinkelse i NAO-responsen. På den andre siden fører en økning i energirike elektroner ikke til et tilsvarende signal i stratosfæren. Den «potensielle prediktabiliteten», en indeks som måler i hvor stor grad solsignalet skiller seg ut fra de internt genererte NAO-variasjonene, er liten. Et nytt funn som er resultatet av analysen av NorCPM-simuleringer er at amplituden til solsignal avhenger av Pacific Decadal Oscillation (PDO), et stort klimamønster med globale konsekvenser for sub-dekadal til flerdekadal tidsskala. I seg selv modulerer PDO den polare stratosfæriske variabiliteten og PDO -negative fasen har en tendens til å være assosiert med en forsterket polar vortex. Solens maksimale forhold er også forbundet med en sterkere polvirvel. Likevel demonstrerte vi at de to effektene ikke er rent additive, noe som gjør at solsignalet forsterkes under PDO -negative fase. Dette signalet overføres til troposfæren, hvor vi finner en tilsvarende sterkere polarstråle og et svakere Aleutian Low. Effekten av geomagnetisk aktivitet har blitt gjennomført ved hjelp av anerkjente japanske atmosfæriske reanalysedata som spenner over de siste fem tiårene, og ved å bruke strengere statistiske tester enn tidligere. Resultatet viser at det ikke er noen statistisk signifikante temperatursignal i stratosfæren ved bruk av indekser for geomagnetiske aktivitet. Det har også blir utført langtidssimuleringer med konstant geomagnetisk pådriv for å skille ut effekten under forskjellige faser av solsyklusen. Disse modellsimuleringene indikerer at endringer i solstråling har en avgjørende betydning for effekten av geomagnetisk aktivitet. Eksperimenter med mer energirike partikler viser en reduksjon av mesosfærisk og stratosfærisk ozon i polområdene. Ozontapet i stratosfæren ble forårsaket av et overskudd av nitrogenoksyder og endringer i den meridionale sirkulasjonen. Endringene i temperatur samsvarer med en svak intensivering av den polare jetstrømmen i stratosfæren, med tilsvarende, men svake, endringer i troposfæren. SOLENA har også gjennomført idealiserte modellsimuleringer for å adressere mulige effekter av et såkalt «Grand Solar Minimum». En slik periode med liten eller ingen solflekkaktivitet på solen inntraff sist på midten av 1600-tallet (Maunder Minimum) og det har vært spekulert i om noe lignende vil kunne skje i nær framtid. Disse simuleringen gjorde det mulig å bedre skille effektene av en reduksjon i UV-strålingen fra en reduksjon i den synlige delen av spekteret.

The project led to further understanding of the 11-year solar cycle influence on climate, with important implications for decadal predictability. The climatic influence of solar irradiance seems largely dominant over geomagnetic activity and particle precipitation. The weak signal-to-noise ratio associated to the solar forcing, e.g., over the North Atlantic, reflects the predominance of internal variability and is symptomatic of the signal-to-noise paradox common to prediction models. The simulations were among the first in the world to include both medium-to-high energy particle precipitation and ultraviolet irradiance forcings in coupled, high-top ocean-atmosphere experiments with interactive chemistry. As such they lead to new developments and accrued international visibility for the Norwegian Climate Prediction Model and the Norwegian Earth system Model. The project further cemented the cooperation between NILU, the Bjerknes Centre and the University of Oslo on climate modelling.

Although the solar forcing cannot account for the observed recent global warming, there is evidence that solar variability influences climate both globally and regionally. SOLENA will address the solar forcing on climate arising from both radiance and particle flux variations. The effects of solar radiance and particle forcings will be examined first separately and then jointly, using a common state-of-the-art modelling framework. SOLENA will rely on performing simulations with a chemistry-climate model with a high-top middle atmosphere component and interactive chemistry, coupled to the ocean. The model will be the Norwegian Earth System Model (NorESM) in a version coupled to the Whole-Atmosphere Community Climate Model (WACCM). Through running time-slice natural variability or else transient historical simulations, the project will examine how the 11-year solar cycle and its attendant radiance and particle variations could affect the interannual-to-decadal variability of the North Atlantic and Arctic circulation patterns, as well as of other teleconnections with the tropical and Pacific regions. A special focus is the atmosphere-ocean interactions. Analysis of existing centennial-to-millennial simulations, as well as dedicated decadal-scale sensitivity experiments, will examine if variations in solar radiative forcing, especially those associated with solar grand minima, could affect the variability of these patterns through similar processes. The implications for the interannual-to-decadal predictability of these North Atlantic and Arctic circulation patterns will be examined. The multi-disciplinary project will bring together expertise in atmospheric dynamics, oceanography, climate modelling as well as middle atmosphere and solar-terrestrial physics.