The role of the atmospheric energy transport in recent Arctic climate change

Fører forandringer i den atmosfæriske sirkulasjonen til Arktisk oppvarming og smelting av innlandsisen på Grønland? Dette er spørsmål vi forsøker å svare på i dette prosjektet. I Arktis ser vi noen av de mest markante tegnene på klimaforandringer. Disse inkluderer en svært negativ trend i sjøis, og en oppvarming som er tre ganger større enn den som har blitt observert på resten av kloden. En stor bekymring for menneskeheten er at klimaforandringer i de polare områdene vil fører til betydelig smelting av innlandsisene og isbreene og dermed til havnivåstigning. Opp gjennom tidene har vi bygget byer og infrastruktur i kystnære strøk. Å bo i disse områdene vil bli svært vanskelig dersom havnivået stiger noen få meter. Den atmosfæriske sirkulasjonen spiller en avgjørende rolle for det arktiske klimaet. I det sentrale Arktis, hvor solen ikke er over horisonten i vintermånedene, ville temperaturen ha vært langt under -100 ºC på denne årstiden, hvis det ikke hadde vært for den atmosfæriske sirkulasjonen og havstrømmer som henholdsvis tar med seg varm luft og varmt vann fra sør til de nordlige områdene. I tillegg transporterer sirkulasjonen varm luft inn over Grønlands innlandsis, noe som kan føre til smelting. Der har vært lite oppmerksomhet rundt hvilken rolle den atmosfæriske sirkulasjonen spiller i klimaforandringene i Arktis og i smeltingen av innlandsisen på Grønlands. Gjennom en kombinasjon av analyse av observasjoner, statistiske metoder og modellering har vi i dette prosjektet forsøkt å forstå mere om sirkulasjonens rolle i arktiske klimaforandringer. Forskning innenfor prosjektet viser at fuktige vinder bidrar til langt større arktisk oppvarming enn først antatt. Når klimaet endres som følge av økt konsentrasjon av drivhusgasser i atmosfæren transporteres mer fuktig luft nordover hvor den bidrar til oppvarming og smelting av sjøisen i Arktis. Den fuktige luften fører til økning i skyer over Arktis, og både skyene og vanndampen øker drivhuseffekten i Arktis, noe som gjør at strålingen fra overflaten absorberes i atmosfæren og sendes i retur med økt oppvarming til følge (Graversen og Langen, J. Clim., 2019). Men de fuktige vinnene skaper ikke kun oppvarming i Arktis, de kan også medføre kraftig smelting av havis. I 2007 opplevde Arktis for første gangen i moderne tid en kraftig smelting av havisen under sommeren. En del av havisen i Arktis smelter alltid på sommeren, men et område på størrelse med hele Vest-Europa blev i tillegg isfritt. Dette skjedde igjen i 2012, og årsaken til disse ekstreme hendelsene viser sig i begge tilfelle å være fuktige vinne som under senvåren bragte vanndamp fra sør inn over den Arktiske havisen. I likhet med forklaringen nevnt ovenfor, førte vanndampen til en økt drivhuseffekt og varmestråling til overflaten som smeltet isen. Disse resultatene er publisert på norsk i det populærvitenskapelige tidsskriftet Naturen (Graversen m.fl., Naturen, 2021). En nyskapning innen for prosjektet er utviklingen av metoder for å estimere bidragene til atmosfærisk energi transport fra forskjellige atmosfæriske fenomener, for eksempel sykloner og såkalte Rossby bølger som er atmosfæriske bølger som spenner over titusenvis av kilometer. Disse metodene hjelper oss å forstå hvilke atmosfæriske prosessor som er viktige for det arktiske klimaet, og hva som skjer med klimaet når de atmosfæriske strømningsmønstrene endrer seg. Studier innen for prosjektet presenterer matematiske metoder for dette, og avdekker svakheter og styrker ved metodene (Heiskanen m.fl., Q. J. Royal Meteo. Soc., 2020; Heiskanen m.fl., Atm. Sci. Lett., under granskning; Stoll m.fl. Weath. Clim. Dyn., under granskning). Det har lenge været kjent at transporten av fuktig luft inn i Arktis ikke har endret seg nevneverdig de seneste 40 årene hvor vi har hatt gode data for dette. Som nevnt oven for, er en nyskapning innen for prosjektet utvikling av metoder til å oppdele atmosfærens energi transport i dele som kan relateres til kjente fysiske fenomen, så som sykloner og Rossby bølger. Studier innenfor prosjektet hvor disse metodene appliseres viser at selv om den totale fuktighets transporten inn i Arktis ikke har endret seg, så har den delen som transporteres av Rossby bølger økt, mens transporten som sykloner står for har minket. Dette er viktig fordi det viser seg at de planetære bølger kan transportere fuktigheten langt dypere inn i Arktis, og at transporten dermed får en langt kraftigere oppvarmende effekt på Arktis enn hva syklonene er i stand til å forårsake. Konklusjonen er derfor at selv om den samlede fuktighets transporten er uendret, har forandringen i sirkulasjons mønstrer gjort at fuktighets transporten bidrar til oppvarmingen av Arktis (Rydsaa m.fl., Q. J. Royal Meteo. Soc., 2021). Studier viser også at Rossby bølger spiller en rolle ved smeltning av arktisk havis (Hofsteenge m.fl., Clim. Dyn., 2022) og for smeltning av Grønlands innlandsis de senere årene (Heiskanen m.fl., Weath. Clim. Dyn., under granskning).

The project concerns the impact of the mid-latitude atmospheric circulation on Arctic climate. In order to quantitatively investigate these linkages, many of the project studies have focused on atmospheric energy transport. An analytical method, the Wave Method, was applied, which decomposes the energy transport into atmospheric wave types that can be assigned to known circulation patterns of the atmosphere. – The project deliver a data set based on the Wave Method that can be applied to investigate impact of atmospheric circulation on many climate aspects. Hence the data set can – and is already – used in application far beyond the objectives of the project. – Major scientific results from the project include: 1) Energy transported by the atmospheric circulation to the Arctic has a much stronger potential to impact Arctic weather an climate when transported in the form of water vapour than in the form of dry-static energy. 2) The energy transport into the Arctic contributes to enhanced Arctic warming although the transport is decreasing. This is due to a shift between the transport component so that water vapour transport to the Arctic increases. 3) Large scale Rossby-wave contribute to warming and sea-ice melt in the Arctic whereas cyclones play a minor role. 4) A shift of Rossby waves over Greenland around year 2000 has contributed to bring the Greenland ice-sheet into a melting state. – The project has provided a full PhD education for a student. It has given postdoctoral fellow opportunities to two young scientists, 2 years and 7 months for the one fellow and 5 months for the other. The project provided master thesis opportunities for two master project, where the one of these became the best master thesis of the year in 2018 at the Faculty of Science and Technology, UiT. Three internship students have obtained science-work experience within the project, two from The Netherlands and one from France. – The core team of the project is leading 7 first-author publications in international journals of which 4 are published and 3 are at different stages in the review process. The core team has also published 2 popular science articles, and the PhD student a PhD thesis. In addition, work associated with the project led by external partners, but with contributions from the core team, have led to 6 journal publications, all published or accepted for publication. – International cooperation has been supported by the project. 1) Four months of Visiting Scientists grants were given to three external researchers, two from The Netherlands and one from Italy. All contributed in articles associated with the project. 2) The project also financed shorter visits from other scientist and PhD students. 3) The project held a workshop in 2021 entitled “Dynamical interaction between the climate change in the Arctic and the mid-latitudes”. The workshop included 21 participants of which 13 were international, from Finland, US, The Netherlands, Sweden, and Italy.

The Arctic region shows some of the world's most significant signs of climate change. These signs include a negative trend in summer sea-ice cover of around 15 % per decade, and a surface-air warming which is three times larger than the global average. A large concern for humanity is that the climate change in the polar regions will lead to significant melting of the ice sheets and glaciers. In fact the discharge water from the Greenland ice sheet has in recent decades increased to the extent that this ice sheet is now one of the major contributors to sea-level rise. The atmospheric northward energy transport plays a crucial role for the Arctic climate; in fact this transport brings to the Arctic an amount of energy comparable to that provided directly by the sun. There has been little emphasis on the role of the energy transport in recent Arctic climate change, and only during the last years it has been acknowledged that different forms of the energy transport affect the Arctic climate differently. This project will significantly contribute with new knowledge on two of the most important questions concerning Arctic climate change: 1) What is the role of atmospheric circulation changes in recent Arctic warming? 2) The Greenland ice-sheet has in recent decades rapidly come into a state of significant mass-loss, will that state continue throughout the century? We approach these questions based on a combination of statistical analyses of observational data and idealised experiments with numerical climate models and an ice-sheet model. A completely new method for studying the energy transport by atmospheric waves will be applied. The results from the project will improve our understanding of the future changes of the Arctic climate, and of the future contribution to sea-level rise from the Greenland ice sheet. The results will especially be important for decision making on emissions of greenhouse gases, and on adaptation of society to climate change.