Freshwater export in an era of Arctic Ocean freshening and sea ice decline

I FreshARC prosjektet har det blitt analysert hvordan transporten av ferskvann og havis fra Polhavet til Nordatlanteren har endret seg på grunn av pågående klimaendringer i Arktis. Siden 1990 har tilføring av ferskvann til Polhavet økt samtidig som havisutbredelsen har minket. Store mengder av ferskvann som flyter fra Polhavet mot sør kan påvirke havsirkulasjon i Nord-Atlanterhavet fordi ferskvann er lettere enn salt sjøvann. Hvis havsirkulasjonen i Nord-Atlanterhavet endres på grunn av tilføring av uvanlig store menger ferskvann fra nord, kan dette påvirke både været og klimaet i Europa. Det er ukjent hvor mye den totale mengden av ferskvann i havet og havis (også ferskvann) gjennom Framstredet (havområdet mellom Svalbard og Grønland) har endret seg de siste tiårene. De store endringene i Polhavet kan ha økt ferskvannstrømningen sørover. Samtidig er havisen i Polhavet både tynnere og mindre utbredt enn før, og det kan ha minket andelen av ferskvann fra havis. I FreshARC benyttet vi et unikt datasett fra "Arctic Outflow Observatory" i Framstredet på cirka 78°50'N og vest fra null-meridianen. Observatoriet har løpende målt strømninger og saltinnhold siden 1997 og havistykkelse siden 1990. Prosjekts mål var å kvantifisere variasjoner og trender i eksporten av ferskvann og havis gjennom tidsserien på 30 år og å relatere disse til drivere og variabilitet oppstrøms i Polhavet. Nye data samlet fra rigger tatt opp i Framstredet i september 2019 og august-september 2020 ble inkludert for å oppdatere og analysere tidsserier av ferskvanntransport i Øst-Grønlandsstrømmen. En ny metode ble introdusert for å sette sammen data av flere nye instrumenter som var installert på riggene i de siste årene og for å lage en konsistent tidsserie også tilbake i tid til 2003. Den nye metoden og analysen for tidsrommet mellom 2003 og 2019 viser at ferskvanntransporten i Framstredet har minket fra 2010-2014 til 2015-2019. Dette var på grunn av en minking av strømhastighet og ferskvannmengde. I tillegg har tykkelsen av Polhavsvannet generelt blitt mindre over de siste 10 årene, og fronten mellom Polhavsvannet og Atlanthavsvannet har flyttet seg vestover. Analysen av ferskvannstransport på den brede Øst-Grønlandssokkelen viser at det er et betydelig bidrag fra strømmen på sokkelen spesielt om vinteren, og det kan doble estimatene fra langtidsmålinger fra rigger på sokkelskråningen. Til slutt ble variabiliteten av ferskvannstransporten analysert sammen med atmosfæriske ERA5-reanalysedata og dynamisk havtopografi over hele Polhavet. Dette viste at ferskvannsvariasjonene er drevet av 1) regional nordlig vind på månedlig tidsskala, mens på tidsskalaer fra flere måneder opp til over ett år er drevet av 2) Nordpolkonvergensen som samler ferskvann i regionen nord for Framstredet, og 3) en svekkelse av Beaufort Gyre som tillater spredning av ferskvann til kantene av det arktiske bassenget og til Framstredet. Tilføying av nye data av havistykkelse fra havriggene etter 2014, og alle data fra Upward Looking Sonar som eksisterer fra Framstredet, ga en konsistent tidsserier av havistransporten mellom 1990 og 2020. Denne viste at havistranporten har minket, og spesielt at den var rekord-lav i 2018, relatert til sørlig vind i kombinasjon med istykkelse som var rekord-tynn i 2018. Et enda viktigere funn var at havisens tykkelse i Framstredet ble gjenstand for et regimeskifte i 2007, fra tykk og deformert til tynn og uniform havis. En enkel modell viser hvordan skiftet kan forklares med kortere oppholdstid for isflak i Arktis siden 2005-2007. I tillegg viser havishastighetsdata innhentet fra fortøyd instrumentering fra 1996-2004 vs. 2015-2019 at satellittavledet havisdrift undervurdere ishastigheten som er målt med rigger. Dette resultatet vil bidra til å evaluere skjevheter i fjernmålingsprodukter. Havmodellsimuleringerpåi tiårsskala, inkludert dedikerte eksperimenter for ferskvannsstudier, ble brukt for å kvantifisere ruter for ferskvannskomponenter fra Arktis til Framstredet. Ved å bruke målinger av mengden av stillehavsvann i Framstredet og modelleringsresultatene fra den pan-arktiske regionen, ble de dominerende EOF-modusene for distribusjonen av stillehavsvann i Arktis funnet. Felles analyse av data og modellresultat fra 1980-2020 gjorde det mulig å forutsi mengden av stillehavsvann i Framstredet over tiår med en tidsforskyvning på 11 år. Dette var basert på havnivåets trykkgradient mellom det sentrale Arktis og Nord-Stillehavet. Til slutt viser syntese av den oseaniske ferskvanns- og havisvolumtransporten gjennom Framstredet at det totale ferskvannet gjennom Framstredet (summen av ferskvann i havet og havis) har blitt redusert med ca. 25 % i 2016-2020 sammenlignet med 1997-2001. Denne reduksjonen skyldes først og fremst reduksjonen i havisvolumet eksportert gjennom stredet det siste tiåret.

The updated and consistent time series of liquid freshwater and sea ice volume export through Fram Strait have delivered important findings: Ocean freshwater export was smaller during the period 2015-19. Sea ice volume has been significantly reduced in the last decade and shows important changes in it composition. The latter one is the longest of its kind and is unique data representing the effects of climate change on the Arctic. The time series of oceanic freshwater and sea ice volume transport through Fram Strait will be public available and form important benchmark datasets for the modeling community. Observed variations and trends can be compared with those found in forced models. The identified mechanisms can be used to validate coupled climate models, which are subsequently used to obtain projections of future changes in the hydrological cycle in the Arctic and future freshwater exports such as in Jahn and Laiho (GRL 2020), Haine (GRL 2020) and Wang et al. (OLA Res. 2023). The finding that satellite derived ice velocities generally underestimate the in-situ observed sea-ice velocities will have a large impact on the earlier estimates of sea ice volume transport through Fram Strait. A paper describing this significant discrepancy and providing a correction factor is currently in preparation. That information provides valuable validation data for satellite products and will deliver further improved sea ice volume estimates.

FreshArc quantifies the response of the Arctic Ocean to climate change and delivers a groundbreaking up-to-date 30-year long record of freshwater and sea ice export from the Arctic. The upper ocean freshwater content of the Arctic Ocean has increased significantly since the 1990s while sea ice extent and thickness have declined dramatically. The freshwater accumulation is of particular concern as a release of freshwater and sea ice into the North Atlantic Ocean has the potential to slow down the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), and thereby impact weather and climate in the Arctic, Europe, and Africa. It is at present, an open question whether the total freshwater export (liquid and sea ice) through Fram Strait, the largest gateway of the Arctic, has changed. The rapid changes in the Arctic may already have led to an increase in the ocean's freshwater export while sea ice export may have decreased. However, as sea ice is thinning, the ocean and sea ice circulation become more vulnerable to changes in atmospheric forcing. To assess if the export of total freshwater through Fram Strait to the North Atlantic has increased in the last decades, unique year-round ocean and sea ice data collected by ocean moorings in Fram Strait since 1990 will be integrated and analysed. New, higher resolution, and novel near-surface data collected since 2009 will be assimilated to provide more accurate freshwater and sea ice transports, and will also allow for an improved quantification of exports prior to that time. Model simulations with a Pan-Arctic ocean-sea ice model will demonstrate how observed trends and variability of the total freshwater export during the last decades are related to the large-scale Arctic ocean and atmospheric circulation. Ultimately, FreshArc will provide new state-of-the-art Arctic freshwater exports in Fram Strait and assess its contribution to the AMOC in recent years, essential for the improvement of future climate change projections.