Wave-mediated atmosphere-ocean-sea-ice interactions and their climatic impacts in the Nordic Seas and eastern Arctic

Bølger forårsaket av vind er bølgene vi ser på havet, som bryter på stranden, og som gjør oss sjøsyke når vi er i båt. De er alltid tilstede på havet, men varierer mye i lengde og høyde. De har perioder fra sekunder til noen minutter, med bølgelengder fra et par centimeter og opp til ca 500 meter. Høyden varierer fra en centimeter og til 15 meter eller mer. Disse bølgene utgjør grenseflaten mellom havet og atmosfæren, og de påvirker hvordan bevegelsesmengde, energi, varme og masse utveksles mellom vann og luft. Observasjoner viser også gjensidig, sterk påvirkning mellom bølger og sjøis. Det antas ofte at fordi bølgene har en liten utstrekning og de er nært knyttet til vind, så kan påvirkningen deres på havet og atmosfæren beskrives godt bare som en funksjon av lokal vind. Dette forenklede bildet er utfordret de siste årene fordi man ser klare effekter av at lange bølger som dønning ofte går i andre retninger enn lokal vindsjø. I dette prosjektet har vi inkludert aktive overflatebølger i den norske klimamodellen NorESM, for å studere hvilken effekt dette har på klimaet. Vi vil først analysere effekten av interaktive bølger på hver av de andre komponentene (atmosfære, hav og sjøis), for senere å se på effektene når alle komponentene interakterer med hverandre samtidig. Foreløpige resultater vi har funnet viser at gjensidig kobling mellom bølger og atmosfære forbedrer plasseringen av stormer, og at utvekslingen mellom hav og atmosfære øker. Dette igjen fører til at atmosfæren har en større varmetransport inn i Arktis. Vi ser også at gjensidig utveksling mellom bølger og havet fører til dypere blandingslag via såkalt Langmuir sirkulasjon. 

The North Atlantic - Arctic Ocean is a key region of the global Northern-Hemisphere storm track, characterized by strong air-sea exchange and associated meridional flux of enthalpy and water vapour. Regionally it determines much of the climate of western Eurasia and of the Nordic Seas, with strong effects on the Arctic sea-ice cover. The ocean state in particular is affected not only by the effects of strong diabatic and mechanical forcing, but notably also by the large activity of surface waves forced by the intense storms. Even though it is expected that the presence of surface waves has an important impact on the coupling between atmosphere, ocean, and sea ice, to date there is no quantitative assessment on the implications for the climate of the European/North-Atlantic region and for its evolution under natural or anthropogenic forcing. Indeed, surface waves are at present excluded from the representation of surface interactions in Earth System Models (ESMs). To understand the implications of this, we will, for the first time, use an ESM with a fully coupled wave model covering the northern North Atlantic - Arctic domain to carry out a systematic study of the effects of full coupling between ocean surface waves, atmosphere, ocean, and sea-ice on the climate in the Nordic Seas and eastern Arctic region. The project will thereby go beyond the state of the art and provide the scientific justification for a next generation ESM with a fully coupled wave model in the global domain. The rationale for a regional focus is two-fold. The first concerns the critical role of the marginal ice zone on the Northern-Hemisphere climate, an area that is particularly exposed to the effects of global warming and intrinsically exposed to wave action. The second rationale concerns the scientific prioritization of model development paths for the next-generation Norwegian Earth System Model. Understanding regional effects is a prerequisite to evaluate potential global climate impacts.