Atmosphere-Sea Ice interactions in the new Arctic

Arktis er i ferd med å bli radikalt forandret av de pågående klimaendringene. Dette har store konsekvenser for folks liv, ikke bare i Arktis, der folk nå opplever et helt annet klima enn det de har opplevd gjennom hele 1900-tallet, men også lenger unna, ettersom endringene i Arktis også kan påvirke været i Europa. Denne forandringen er særlig synlig i det krympende havisdekket. Isen blir tynnere, og det gjør det lettere for den å brytes opp av vind og bølger. Været i atmosfæren påvirkes også sterkt av tilstedeværelsen av havis. Hvis havisen er tynn, kan en storm som passerer bryte opp havisen, noe som kan føre til at den smelter raskere. Men stormen kan også bli påvirket av at isdekket brytes opp, ettersom den da blir «matet» med mer varme fra havet. I ARIA bruker vi en banebrytende havismodell som drives av en regional atmosfæremodell for å undersøke hvordan havisen reagerer på sykloner i Arktis. Vi har sett på raske isoppbrudd, der store deler av havisen løsriver seg fra resten av ispakka i en rask løsrivelse etter at en storm har passert. Og vi har brukt en atmosfæremodell som er skreddersydd for å simulere dynamikken i det tøffe polare miljøet, til å drive sjøismodellen. Vi har tatt utgangspunkt i en studie av en spesielt stor oppbrytningshendelse som fant sted i Beauforthavet i februar og mars 2013, og vi har vist at denne havismodellen er i stand til å fange opp oppbrytningen av havisen på en realistisk måte. Det er første gang en modell har klart å fange opp denne typen rask oppbryting av havis. Vi fant at det under slike hendelser skjer en midlertidig økning i havisvolumet i Arktis, ettersom ny havis dannes i hullene der havisen har blitt brutt opp av stormen. Men havisen blir også eksportert raskere ut av Arktis, noe som fører til en reduksjon i det tykke flerårige isdekket. Nettoeffekten av disse stormene er altså å skape et tynnere og svakere havisdekke, noe som kan føre til at isen brytes opp tidligere på våren og dermed fremskynde tapet av havis. Et annet viktig resultat fra vårt arbeid er at det er nødvendig å ha en høyoppløselig atmosfæremodell av høy kvalitet for å kunne simulere slike hendelser nøyaktig. Vi har undersøkt hvor stor effekt arktiske sykloner har på havisen i et langsiktig perspektiv ved hjelp av koblede klimarekonstruksjoner. Vi har ikke bare sett på hvordan den totale mengden havis endrer seg, men også hvordan den omfordeles av de sterke vindene under syklonenes passasje. Vi viste at endringer i sjøiskonsentrasjonen forsterkes av ekstreme værhendelser som sykloner (både økning og reduksjon i konsentrasjonen), og at sykloner fører til en nettoreduksjon i sjøiskonsentrasjonen. Siden disse hendelsene er relativt sjeldne, har de kanskje ikke direkte noen stor effekt på klimaet når det gjelder konsentrasjonen av havis, men de ikke-lokale effektene kan være svært viktige. Dette er eksemplifisert i casestudien vi analyserte i Beauforthavet, der passasjen av en syklon ikke hadde noen stor direkte effekt på havistilstanden, men den førte til økt transport og smelting av flerårsis. I tillegg har vi brukt en høyoppløselig atmosfæremodell for å undersøke hvordan effekten av arktiske sykloner på havisen kan påvirkes av havisens form og fordeling i idealiserte oppsett. Havisdekket i Beauforthavet har endret seg - det blir tynnere og svakere. Dette gjør det mer sannsynlig at isen går i stykker når det blåser kraftig. Ved hjelp av en datamodell studerer vi hvordan disse endringene kan ha påvirket hyppigheten av store havisbrudd fra 2000 til 2018. Vi finner at mengden åpne områder i havisen, såkalte leads, øker i løpet av vinteren. Dette gjør at ny, tynn is kan dannes, men fører også til at mer is beveger seg ut av området under påvirkning av vind og strøm. Denne isbevegelsen motvirker veksten av ny is, noe som resulterer i mindre is totalt sett på slutten av vinteren i denne regionen. Interessant nok ble disse hendelsene vanligere etter 2007, og resultatene tyder på at større isbrekk kan forekomme oftere etter hvert som havisen fortsetter å bli tynnere. Denne studien understreker hvor viktig det er å inkludere disse endringene i havisdynamikken i store klimamodeller for bedre å kunne forutsi hva som kan skje i Arktis i fremtiden. Vi undersøkte effekten av endringer i havisdynamikken i Arktis i dagens klimamodeller ved å se på utviklingen i havisens alder, siden alder er et godt mål for de generelle endringene i havisens mobilitet. Vi fant ut at analyse av alder gir et nytt vindu til å forstå arktisk klimadynamikk og kan avsløre langsomme variasjoner i Arktis på flere tiår, som man ikke ser i andre klimavariabler. Dette har dannet grunnlaget for nye prosjekter og initiativer for å legge havisens alder til listen over viktige klimavariabler.

The ARIA project has led to significant advancements in understanding Arctic atmosphere-sea ice interactions, with direct outcomes for research, climate modeling, and operational forecasting. A key outcome has been the improved representation of cyclone-driven sea ice breakup, enhancing knowledge of how Arctic storms contribute to ice redistribution, lead formation, and long-term ice loss. These insights have been disseminated through scientific publications and conferences, fostering collaboration between sea ice modelers, atmospheric scientists, and climate researchers. The project has strengthened interdisciplinary expertise by integrating high-resolution sea ice modeling with atmospheric dynamics, advancing cooperation between research groups at the Nansen Center and the University of Bergen. This collaboration has not only deepened scientific knowledge but also contributed to training the next generation of Arctic climate scientists. A major outcome of ARIA has been the development of NeXtSIM-ABL, a new coupled model combining the neXtSIM sea ice model with an atmospheric boundary layer model. This tool allows researchers to explore local atmosphere-ice feedbacks at an unprecedented resolution, distinguishing them from large-scale interactions. NeXtSIM-ABL is already in use in other research projects, demonstrating its value for improving Arctic climate simulations. Another key achievement is the inclusion of sea ice age and sea ice drift as essential climate variables supported by the European Space Agency. These ECVs will improve monitoring of Arctic sea ice evolution, supporting climate research, operational forecasting, and policymaking. The anticipated long-term impacts of ARIA’s findings extend beyond academia, with applications for climate services, Arctic industries, and policymaking. Improved modeling of sea ice breakup and atmospheric interactions will enhance weather and seasonal forecasting, benefiting Arctic shipping, fisheries, and offshore operations. The project's results will support policymakers by providing more accurate projections of future sea ice loss, contributing to climate adaptation strategies and international climate assessments. By improving the representation of Arctic processes in climate models, ARIA’s research will help reduce uncertainties in global climate predictions, benefiting both scientific communities and decision-makers planning for climate change. ARIA has strengthened Norway’s role as a leader in Arctic climate research by developing cutting-edge modeling tools and fostering interdisciplinary collaboration. The project’s outcomes will continue to shape future research, particularly in refining high-resolution simulations of Arctic sea ice dynamics and advancing climate models for long-term projections. As Arctic sea ice continues to decline, the knowledge and tools developed through ARIA will remain critical for understanding, predicting, and adapting to Arctic environmental changes.

Arctic cyclones can break up and reshape the Arctic sea-ice cover and can be expected to do so more readily as the ice grows thinner due to anthropogenic climate change. Processes driven by Arctic cyclones can enhance the rate of melting of the ice and increase its export out of the Arctic. The record minima in sea ice extent in 2012, which was partially attributed to the presence of an Arctic cyclone. However, despite their importance, Arctic cyclones have remained relatively un-examined. We hypothesise that surface coupling (interactions between the ocean, sea ice and atmosphere) play a crucial role in determining the life cycle of Arctic cyclones, and the effect they have on the sea ice. In ARIA we will take an important step towards understanding the role of sea ice-atmosphere interactions during the passage of cyclones, and how they might be expected to change in the future. We will quantify the dynamical feedback between the sea ice and atmosphere using a cutting-edge sea-ice model and a state-of-the-art atmospheric model. We will then evaluate the latest generation of climate models (CMIP6) to determine how well they reproduce the underlying conditions, and what is lost in the climatology by failing to resolve these processes. In particular we will focus on the impact cyclones have on the sea-ice volume, both in the short-term response and how it affects the inter-annual variability and overall decline observed in recent decades. The project results will therefore directly contribute to addressing the World Climate Research Programme’s grand challenge on the melting cryosphere.