Key Earth System processes to understand Arctic Climate Warming and Northern Latitude Hydrological Cycle Changes

Prosjektet KeyCLIM har skapt en mengde ny kunnskap om viktigheten av koblede prosesser for forståelsen av klimautviklingen, med særlig vekt på nøkkelregionen Arktis og nordlige høye breddegrader. KeyCLIM har allerede resultert i flere viktige publikasjoner som inkluderer flere om historiske aerosolpådriv (Quaas et al. 2022, Smith et al. 2021), en analyse av biogeokjemiske tilbakekoblinger (Thornhill et al. 2021a), havsirkulasjonens innvirkning på klimafølsomhet (Gjermundsen et al. 2021), samspillet mellom Nord-Atlanterhavets havsirkulasjon og klimaendringer (Madan et al. 2023), atmosfæriske elver og ekstrem nedbør (Michel et al. 2021), rekonstruksjon av daglige atmosfæriske strømninger fra storskala modeller (Hagen et al. 2023), transport gjennom havpassasjene til Arktis (Shu et al. 2023), opprettholdelse av atmosfærisk energikonsistens og -bevaring i CMIP-klasse modeller (Lauritzen et al. 2022), en omfattende analyse av NorESMs håndtering av skyfaser i Arktis (Shaw et al. 2022) og en analyse av DMS utveksling mellom hav og atmosfære i CMIP6-modeller (Bock et al. 2021). Flere andre betydelige funn stammer fra KeyCLIMs NorESM simuleringer. Blant disse er a) kvantifisering og lokalisering av varme- og fuktighetstransport til Arktis; b) en analyse av regionale sirkulasjonsmønstre; c) en analyse av Grønlands massebalanse i overflaten supplert med en studie av samspillet mellom en dynamisk Grønlandsis og klima; d) en felles studie om hvordan forbedrede NorESM prosesser påvirker arktisk forsterkning av vinteroppvarming (se nedenfor); e) innvirkningen av marine BrF-utslipp på atmosfærisk kjemi, inkludert ozonbelastning, med tanke på et fremtidig sjøisfritt Arktis; f) en studie om mulige hyppigere brå marine miljøendringer i fremtiden; g) samt flere planlagte artikler for å dokumentere og evaluere KeyCLIMs forbedringer av NorESM. Blant nye og fremtredende NorESM2 utviklinger i KeyCLIM er en interaktiv komponent av innlandsis for Grønland, en høyoppløselig versjon av havkomponenten, muligheten til å bytte vertikal diskretisering av havkomponenten fra ren tetthetskoordinat til hybrid (trykk-tetthet) koordinat, en mer realistisk skyparametrisering av blandet fase, en revidert varmeledningsevne av snø på sjøis, en ganske kompleks gassfasekjemi både i troposfæren og stratosfæren, en forbedret kobling av bromoform mellom havet og atmosfæren og en forbedret parametrisering av mesoskala virvler i havet. Basert på disse utviklingene er følsomhetseksperimenter fullført i KeyCLIM for felles analyse. Eksperimentene var dedikert til å studere forbedret varmeledning for snødekte sjøisområder, revidert diffusivitet av havvirvler, en interaktiv Grønlandsis, revidert mikrofysikk av isskyer, kompleks kjemi inkludert bromoform, vulkanske aerosoler og ozon og et betydelig redusert antropogent pådriv av aerosoler. Følsomhetseksperimentene viser alle økt fremtidig arktisk oppvarming sammenlignet med CMIP6 referanseeksperimentet. Amplituden av den ekstra oppvarmingen varierer dessuten betydelig, med en forskjell mellom eksperimentet med sterkest og svakest oppvarming på 8,6 K ved slutten av det 21. århundre. Dekomponering av overflatetemperaturen avslører at oppvarmingen domineres av endringer i skyer, langbølget stråling ved klar himmel, varmeflukser i overflaten og varmelagring i havet. Vi identifiserer også en “emergent constraint” som knytter endringer i arktisk overflatetemperatur til endringer i varmeflukser over hav og til endringer i sjøisarealet. De nye modellutviklingene vil bidra til en ny oppdatert versjon NorESM2.3 som skal utgis tidlig i 2024, en versjon som er viktig for å forberede en omfattende oppgradering av NorESM for CMIP7. Resultater av modellsimuleringer arkiveres ved hjelp av NIRD research data archive t. I løpet av prosjektets levetid organiserte KeyCLIM flere workshop’er for å formidle fremdrift i modellutvikling og viktige resultater, blant disse en workshop om "Constraining model uncertainty in climate sensitivity" og et om "Precipitation trends in Nordic regions".

KeyCLIM has resulted in a major scientific co-operation among the community using the NorESM model in Norway with important interdisciplinary exchanges that were achieved in the field of climate sciences. KeyCLIM has contributed and initiated a range of more in-depth projects utilising NorESM on Nordic and EU level. A large number of significant contributions to IPCC AR6 and CMIP6 analysis through peer-reviewed publications have been a major outcome of KeyCLIM (roughly 30 of the 66 peer reviewed publications originating from KeyCLIM so far). KeyCLIMs has developed new components and functionalities of the NorESM model which will be integrated in a new NorESM model version in 2024 (eg land-ice, revised snow hydrology, higher resolution ocean, optional hybrid ocean coordinates, revised eddy mixing in the ocean, climate driven emissions, complex atmospheric chemistry and air-sea-exchange of additional trace gas components, volcanic aerosol treatment ) that benefits Earth System understanding and also facilitate usage of the NorESM model for a wider range of climate change problems. A series of sensitivity NorESM coupled model simulations has been produced and analysed. It provides a basis for further understanding of Arctic Amplification. The simulation results will be shortly archived for further use by the climate science community. KeyCLIM scientists have contributed to relevant and scientific fact-based communication on climate mitigation and adaptation, and thus have enabled a societal discussion needed for sustainable development. KeyCLIM organised two broader science workshops, one on methodologies to constrain climate sensitivity, and on on trends in precipitation in Nordic countries.

The projected enhanced warming of the northern latitudes in the forthcoming decades will impact the region’s hydrological cycle, the cryosphere and biogeochemical cycles, impacts which are associated with forecasted, significant changes of the Earth System functioning. It is not clear how the northern world will look like with a summer ice-free Arctic Ocean, changed atmospheric and oceanic circulation patterns and the many specific responses of the Northern Earth system. It will require a powerful Earth System model to generate new understanding of the possible future climate evolution. Scandinavian and Norwegian climate will be in particular affected by Earth System changes in the North Atlantic, Arctic and adjacent land masses, thus this region is chosen to be key for this project. The core research community utilizing the Norwegian Earth System Model (NorESM) is assembled for this project proposal to improve our understanding on three levels: 1) to analyze bias and deficiencies in NorESM, engaging into complementary analysis of the CMIP6 model experiment archive and re-analysis data, from this to recommend on model development needs; 2) to study those key Earth System processes in the key region which are important for the northern climate evolution for the next 50-300 years, improving NorESM where needed; 3) isolate the role of sphere couplings and feedbacks for future projection of climate with a suite of specifically designed NorESM coupled simulations, supplementing CMIP6. Ultimately KeyCLIM shall achieve a much improved picture of the near and long term future climate for northern latitudes and Norway, providing open data to the climate mitigation and impact community. KeyCLIM studies of the interaction between the spheres and important feedbacks will allow the research community to assess the possibility of irreversible changes in the climate system.