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

I dette prosjektet studerer vi hvilken rolle havets overflatebølger har på klimaet. Disse bølgene, på skilleflaten mellom vann og luft, er forårsaket av vind. Man har lenge antatt at effekten av bølgene i klimasystemet kan beskrives godt ved en lokal likevektsantagelse. Dette er gyldig når vinden blåser med nesten samme stryke og retning over lang tid. Nyere studier viser imidlertid at endringene i vindstyrke og retning har større påvirkning enn tidligere antatt, og at effekter på klimavariabilitet er forskjellige fra hva vi kan forvente av vinden alene. Bølger frakter energi over lange avstander, og påvirker klimasystemet globalt. Ruheten av havoverflaten er påvirket av bølger, og denne er viktig for utveksling av varme, masse, og bevegelsesmengde mellom atmosfære og hav. I dette prosjektet har vi inkludert en aktiv bølgemodell inn i den norske jordsystemmodellen NorESM, for å kunne kvantifisere bølgenes påvirkning på klimaet. Vi har funnet at når bølgene og atmosfæren påvirker hverandre, fører det til en økning i stormaktiviteten i Nordatlantere, og som en konsekvens av dette, et varmere vinterklima i Europa. Endringer i friksjon mellom hav og luft pga overflatebølger i tropene og midlere bredder har påvirkning langt utenfor disse områdene. En av effektene vi ser ved å koble atmosfære og bølger er gjerne et varmere Arktis. Vi har også funnet at effekten av bølger på havet er svært viktig for vertikal blanding, og dybden av blandingslaget i havet. Dette vil igjen føre til endringer i atmosfæren, og vil bli studert videre i prosjektet.

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.