Role of oceandynamics and Ocean-Atmosphere interactions in Driving cliMAte variations andfutureProjections of impact-relevant extreme events

ROADMAP sitt mål var å utvide den nåværende forståelsen av hvordan havets tilstand (slik som overflatetemperatur og sjøisdekket) og dynamikk (slik som havstrømmer) påvirker den atmosfæriske sirkulasjonen i ekstratropiske områder på den nordlige halvkule, samt tilhørende vær og ekstremer i klimaet. Prosjektet gjorde dette på tvers av et bredt spekter av romlige skalaer og tidsperspektiv, kort-synoptisk til dekadiske og planetariske skalaer, både i dag og i fremtidens klimaforhold. Finansiert av EU JPI-er CLIMATE og OCEANS og ledet av MPI-Met (Tyskland), ROADMAP samlet ledende klimaforskningsinstitusjoner fra syv europeiske land, hvorav Universitetet i Bergen og Nansensenteret for Miljø og Fjernmåling fra Norge. Ved bruk av målinger, modellsimuleringer, og reanalyser har vi gjort følgende funn: I tillegg til global oppvarming, bidrar langsomme svingninger (over flere tiår) i Stillehavet og Atlanterhavet til svingninger i det arktiske klimaet i tidsperioden fra 1900 til nåtid, via fjernkoblinger i hav og atmosfære (Svendsen et al. 2021). En stor del av den multidekadiske variabiliteten i det nordatlantiske klimaet kan fysisk forklares med en oscillasjon som kobler jeter i stratosfæren og troposfæren med havsirkulasjonen (Omrani et al. 2022). Disse mekanismene er viktige når vi skal varsle endringer i klimaet for de neste 35 år. Den naturlig-drevne mellom-dekadiske oscillasjonen i Stillehavet medførte en nedkjøling over det vestlige Eurasiske området i perioden fra 1998 til 2013 (Suo et al. 2022). Klimavarsel strever med å representere riktig variabilitet i temperatur langs den varme Atlanterhavsstrømmen fra Nord-Atlanteren og mot Polhavet (Langehaug et al. 2022). Usikkerheter i klimaendringer på midlere breddegrader har blitt relatert til pådriv i det tropiske Stillehavet og hav-atmosfære vekselvirkninger i ekstratropiske områder i Atlanteren (Cheung et al. 2022). Det er viktig å representere temperaturfronten til Golfstrømmen for klimaet i Nord-Atlanteren (Athanasiadis et al. 2022). Det er potensiale for dekadisk klimavarsling av viktige fiskebestander i Nord-Atlanteren ved å bruke multidekadisk klimavariabilitet (Payne et al. 2022; Omrani et al. 2022). Vi har kvantifisert de ulike bidragene (fra eksternt strålingspådriv, mellom-dekadisk oscillasjon i Stillehavet, multi-dekadisk variabilitet i Atlanterhavet, og endringer i sjøisen i Arktis) til den troposfæriske oppvarmingen i Arktis i tidsperioden 1979-2013 (Suo et al. 2022). Vi har identifisert en mekanisme hvor den Nord-Atlantiske oscillasjonen kontrollerer endringer i posisjonen til Golfstrømmen med en tidsskala på omtrent ti år (Famooss Paolini et al. 2024). Vi har identifisert en stor-skala variabilitet hvor den eddy-drevne jeten over Atlanterhavet og Stillehavet, henholdsvis, kommuniserer med hverandre. Denne variabiliteten forklarer koblingen mellom Stillehavet og Atlanterhavet (Famooss Paolini et al., in progress). Temperaturfronter i Atlanterhavet og Stillehavet ved midlere breddegrader opprettholder den observerte frekvensen av atmosfærisk blokkering over Nord-Europa (Cheung et al. 2023). Temperaturfronter i Stillehavet, sammen med land-hav kontrast og orografi, bidrar til hyppigere oppvarming av stratosfæren og lavere sannsynlighet for skyformasjon i den polare stratosfæren på nordlig halvkule (sammenlignet med sørlig halvkule; Omrani et al. in progress). Den tropiske havoverflatetemperaturen styrer hvordan klimaendringer påvirker den polare jeten i stratosfæren (om vinteren), samt den eddy-drevne jeten i troposfæren. Denne påvirkningen skjer i form av prosesser som diabatisk oppvarming og diffusiv blanding (Omrani et al. submitted). Variabilitet i saltholdighet i Norskehavet og videre nordover mot Polhavet blir mer realistisk i modellsimuleringer når temperatur og saltholdighet i Atlanterhavet er synkronisert med observerte verdier (Langehaug et al. in progress). Vi fant også store forbedringer i den multi-dekadiske variabiliteten i det nordlige Stillehavet (Suo et al. in progress). En korrekt beskrivelse av den nordlige delen av Nord-Atlanteren er viktig for å lage riktige klimavarsel for Norskehavet og videre nordover (Drews et al. in revision). Uvanlig varmt vann (eller uvanlig kaldt vann) opptrer omtrent hvert tiende år i den nordøstlige delen av Nord-Atlanteren. Uvanlig varmt vann gir mer omdanning (hovedsakelig til kaldere vann) av lette vannmasser, mens uvanlig kaldt vann gir mer omdanning av tyngre vannmasser (Passos et al. 2024). For å identifisere nesten periodiske klimavariasjoner har vi brukt en nyutviklet metode (‘Multi Variate Empirical Mode Decomposition’). Vi utviklet en statistisk test skreddersydd for denne metoden (Boljka et al. 2023). Metoden gir et nytt perspektiv på å forstå oscillerende samspill mellom hav og atmosfære og tilhørende fjernkoblinger. Prosjektnettsted: http://roadmap.rd.ciencias.ulisboa.pt

ROADMAP’s main objective was to strengthen our understanding of the role of the ocean in shaping northern hemisphere climate and associated extreme events, on seasonal to climate change time scales. The project’s Norwegian partners, University of Bergen (UiB) and Nansen Centre (NERSC), were mainly involved (including leadership) in the work packages 2 and 3 (respectively, “Extratropical ocean-atmosphere interaction controls on the eddy-driven jet, the stratospheric polar night jet and atmospheric blockage” and “Tropical-extratropical teleconnections and interbasin linkages”). Our research results have motivated several new ideas for potential research project proposals, PhD topics and Master theses. For example, we recently submitted two NFR proposals for follow-up work on coupled atmosphere-ocean variability and predictability. Additionally, we submitted a proposal for a PhD position focused on the implications of our results on wind energy power. Based on our findings, we are also planning a meeting with colleagues from the health sector to develop research ideas on the impact of climate on health and its potential predictability. Collaboration with our international partners (a consortium of leading climate research institutions from six European countries, including universities and national meteorological and climate service providers) is strengthened and will continue, through new projects, co-supervision of early career scientists, and research visits. Our co-produced results also contribute to advancing nearly all the Core Projects and scientific topics within the World Climate Research Program (WCRP), including Climate and Ocean Variability and Change (CLIVAR), Climate and Cryosphere (CliC), Earth System Modelling and Observation (ESMO), Regional Information for Climate (RIfS), and Stratosphere-troposphere Processes and their Role in Climate (SPARC). By refining climate predictions, we furnish decision-makers with improved predictions to address climate change, aligning with SDG 13 (Climate Action). Studying oceanic processes enhances our grasp of ocean dynamics, impacting marine ecosystems in line with SDG 14 (Life Below Water). Predicting regional climate yields insights into ecosystem vulnerabilities, aiding conservation efforts (SDG 15: Life on Land). Climate variability affects human health and well-being; improved prediction aids readiness for risks, supporting SDG 3 (Good Health and Well-being). Enhanced climate prediction supports resilient infrastructure and innovative solutions, advancing SDG 9 (Industry, Innovation, and Infrastructure). Better regional predictions aid urban planning, fostering sustainability in communities facing climate threats, thus contributing to SDG 11 (Sustainable Cities and Communities).

Funded by the JPI CLIMATE and JPI OCEANS joint call on next generation climate science in Europe for oceans, ROADMAP aims to expand current understanding of how the Northern Hemisphere (NH) ocean surface state and ocean dynamics influence the extratropical atmospheric circulation, as well as associated impact-relevant weather and climate extremes, across space and time scales, short-synoptic to decadal-planetary, under both present day and future climate conditions. ROADMAP is led by MPI for Meteorology (Germany) and its consortium encompasses leading climate research institutions from 7 European countries, including universities as well as institutions providing (national) meteorological and climate services. ROADMAP will continue a long-standing history of international collaboration between its partners within the framework of previous joined projects, making significant contributions to climate variability, predictability and response, as well as climate extremes, particularly in the North Atlantic/European sector. Within ROADMAP, UiB and NERSC are mainly involved in WP2(UiB lead)and WP3(NERSC co-lead),which address: -how and on which timescales extratropical ocean-atmosphere interactions control the tropospheric eddy-driven jets,cyclone variability (storm track),blocking events and the associated dynamical link to extreme conditions; and how such controls can be modified by global warming [WP2] -the impact of tropical El Niño Southern Oscillation and Madden Julian Oscillation SST anomalies on the mid-latitude and polar atmospheric circulation [WP3] -the multidecadal links between tropical and subtropical North Atlantic, and inter-basin connections between the Atlantic and the Pacific Oceans, as well as modifications of linkages under climate change conditions [WP3] -the identification of key spatial-temporal variability patterns as well as cross-scale causal coupling between different variability modes of ocean and atmosphere [WP5 jointly with WP2 and WP3].