On the stability of the Atlantic Meridional Overturning Circulation and its climate impact during Late Neogene

Type Thesis
Date 2014-07
Language English
Author(s) Zhang Xiao1
University Universität Bremen
Thesis supervisor Michael Schulz
Thesis co-supervisor Lohmann Gerrit
Keyword(s) Atlantic Meridional Overturning Circulation, Climate instability, State-of-the-art model simulation
Abstract

v Abstract This thesis focused on the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) stability and global climate responses of an altered AMOC in the late Neogene by performing computer simulations, using both intermediate complexity climate models and state-of-the-art coupled climate models. Two time slices were studied: 1) 38 ka BP (kilo years before present), during Heinrich event 4, and 2) around 4- 5 million years ago, when the Panamanian Seaway finally gradually closed. The AMOC is one of the most important climate systems modulating the world climate due to the significant amount of oceanic transport of heat, carbon and nutrients. Understanding the AMOC stability behaviour is essential to investigate climate in the past and present as well as possible changes in the future. The circulation strength changes were suggested to have an association with observed millennial abrupt climate oscillations during Marine Isotope Stage 3 (MIS3, 57-29 ka BP and tropical Pacific thermocline variation during the Pliocene. A strong/weak circulation is related with a mild interstadial/cold stadial climate. The large amount of freshwater flux at the ocean surface provided by melted icebergs during warm interstadial in the North Atlantic has been argued to potentially be able to induce this AMOC strength change, which possibly triggered an abrupt climate oscillation process; many conceptual models have explained the occurrences of abrupt climate changes based on multiple equilibria of the AMOC. More complex models, on the other hand, produced different results in the AMOC stability property based on freshwater hosing experiments. State-of-the-art models have higher possibilities to produce a monostable AMOC, whereas most intercomplexity models have resulted in an AMOC with multiple equilibria. One of the deficiencies of these model studies has been that most of the simulations were run with the present day background climate even though the AMOC might have had different stability properties during the glacial period compared to the present day. Therefore, this thesis firstly bridged the simulation gap of the AMOC performed by a state-of-the-art coupled climate model with 38 ka BP glacial boundary conditions. The AMOC stability and how its variation affected global climate were systematically studied in a set of freshwater forcing experiments. It was demonstrated that the AMOC is in a monostable mode during cold stadials and external freshwater forcing was essential to contain the AMOC 'off' mode. The 38 ka BP climate is unstable against a small amount of freshwater flux (±0.02 Sverdrup). Threshold behaviour was observed in both Greenland temperature and Northern Hemisphere ice cover with regard to the AMOC maximum vi in the simulations, which indicates a system transition between a mild interstadial state and a cold stadial state. Experiment results suggested that the Greenland temperature was mainly controlled by Northern Hemisphere sea ice, since the simulated Greenland temperature change magnitude was in line with the observations, which was not shown in previous model studies using realistic freshwater input. Strong feedback from the sea ice and surface wind played an important role in this climate shift and a strong subsurface warming was also observed in the simulation, as indicated by proxy records. These conclusions demonstrate the importance of the background climate in glacial climate simulation, especially with regard to AMOC studies (Chapter 2). Moreover, the global imprint of the AMOC change was also investigated in detail. Applying the Analysis of Variances (ANOVA) statistical method, several locations with high sensitivity to the AMOC strength change were captured at the surface, e.g. the Southern Indian Ocean and the North Atlantic. In these areas, a linear relationship between the surface temperature or precipitation and the AMOC maximum was established, hence these locations are ideal for AMOC reconstruction. Subsurface layers of the ocean showed different sensitivities to freshwater forcing; the North Atlantic generally showed a high linear response from the surface to the deep ocean, whereas linear regression was not visible in the northern and tropical Pacific intermediate layers. More importantly, the changes in the AMOC strength between interstadial and stadial/Heinrich stadial states were also quantified based on both climate models and proxy records. It was estimated the AMOC experienced a deduction of 9.2 ±1.2 Sv of its circulation strength from warm interstadials to cold stadials and this decrease in vigour was stronger from interstadial states to Heinrich stadials, with a larger estimated uncertainty (Chapter 3). Sediment records from the North Pacific show a shoaling of the thermocline, as well as AMOC intensification as a response to the closure of the Panamanian gateway during the early Pliocene. In order to study this process, a comparison of model results from 11 sensitivity tests performed by seven different climate models with independent setups was undertaken. The results revealed that in all models, the closure of the Panamanian Seaway could lead to an enhancement of the AMOC and also causes a shoaling of the equatorial Pacific thermocline. The change in the thermocline depth in the Equator is then preconditioned to the present Pacific cold tongue state. Wind stress feedback was able to amplify this process. With the presence of dynamic atmosphere model, a linear relationship between the AMOC change and the thermocline shoaling has been demonstrated (Chapter 4).

Abstract <p>Schwerpunkt der vorliegenden Dissertation ist die Stabilit&auml;t der atlantischen meridionalen Umw&auml;lzzirkulation (AMOC) w&auml;hrend des marinen Sauerstoffisotopenstadiums 3 (MIS3) und die Reaktion des globalen Klimas auf eine &Auml;nderung der AMOC w&auml;hrend des sp&auml;ten Neogens unter Verwendung der numerischen Klimamodellierung, basierend auf Klimamodellen mittlerer (EMIC) und hoher Komplexit&auml;t. Es werden die Ergebnisse von zwei Zeitintervallen analysiert: 1) 38 ka BP (Tausend Jahre vor heute), w&auml;hrend des st&auml;rksten Heinrich-Ereignisses im MIS3 (Heinrich Ereignis 4) und 2) 4-5 Ma (Millionen Jahre vor heute), w&auml;hrend der Bildung des Isthmus von Panama. Aufgrund des bedeutenden W&auml;rme- und Stofftransports und die damit einhergehende Beeinflussung auf das globale Klima ist die AMOC ein wichtiger Bestandteil des Klimasystems. Um die Klimaver&auml;nderungen in der Vergangenheit, Gegenwart und in der Zukunft zu verstehen, ist es notwendig die Stabilit&auml;t der AMOC zu ermitteln. Es wird angenommen, dass Ver&auml;nderungen in der St&auml;rke der AMOC mit den Ereignissen abrupter Klimawechsel w&auml;hrend des MIS 3 (57-29 ka BP) und mit der &Auml;nderung in der tropischen Thermokline des Pazifischen Ozeans im Plioz&auml;n einhergehen. Eine starke Zirkulation steht im Zusammenhang mit einem milden Interstadial, w&auml;hrend eine schwache Zirkulation mit einem kalten Stadial in Verbindung gebracht wird. Ein gro&szlig;er Zufluss von S&uuml;&szlig;wasser in Form von schmelzenden Eisbergen im nordatlantischen Ozean f&uuml;hrte vermutlich zu einer Ver&auml;nderung in der St&auml;rke der AMOC und l&ouml;ste somit wahrscheinlich einen abrupten Klimawechsel aus. Einerseits zeigen vereinfachte Klimamodelle, dass das Auftreten dieser abrupten Klimaschwankungen vermutlich auf die multiplen Gleichgewichtszust&auml;nde der AMOC zur&uuml;ckgef&uuml;hrt werden kann. Andererseits werden in Klimamodellen h&ouml;herer Komplexit&auml;t mithilfe von sogenannten S&uuml;&szlig;wasser-Simulationen gegens&auml;tzliche Ergebnisse in Bezug auf die Stabilit&auml;t der AMOC aufgezeigt. Die komplexeren Klimamodelle hervorbringen eine monostabile AMOC, w&auml;hrend die Modelle mittlerer Komplexit&auml;t eine multistabile AMOC aufweisen. Die gr&ouml;&szlig;te Unzul&auml;nglichkeit dieser Simulationen ist der Zustand, dass die meisten Experimente unter Ber&uuml;cksichtigung verschiedener AMOC Stabilit&auml;ten im abweichenden Klima (z.B. gr&ouml;&szlig;ere Meereisbedeckung w&auml;hrend eines kalten Klimas) mit dem heutigen Hintergrundklima durchgef&uuml;hrt wurden. Daher f&uuml;llte diese Dissertation diese L&uuml;cke aufgrund der Durchf&uuml;hrung von AMOC Simulationen anhand von Klimamodellen mit den glazialen Randbedingungen vor 38 ka BP. Die AMOC Stabilit&auml;t und wie ihre Ver&auml;nderung sich auf das globale Klima auswirkt, wurde systematisch anhand von S&uuml;&szlig;wasser-Experimenten untersucht. Es zeigte sich, dass die AMOC sich in einem monostabilen Zustand w&auml;hrend eines kalten Stadials befindet und dass der externe S&uuml;&szlig;wasserzufluss essentiell viii war um die AMOC zu kontrollieren. W&auml;hrend des Klimas vor 38 ka BP war die AMOC besonders instabil gegen kleine S&uuml;&szlig;wasserzufl&uuml;sse (&plusmn; 0,02 Sv). Die Beobachtung eines Grenzwertverhaltens sowohl in der Eisbedeckung auf der n&ouml;rdlichen Hemisph&auml;re als auch in den Temperaturen in Gr&ouml;nland in Bezug auf die AMOC-Maxima deutet einen &Uuml;bergang des Klimasystems zwischen einem milden Interstadial und einem kalten Stadial an. Ergebnisse verschiedener Experimente zeigten, dass die Temperatur in Gr&ouml;nland haupts&auml;chlich von der Meereisbedeckung der n&ouml;rdlichen Hemisph&auml;re gesteuert wird, denn die simulierte Gr&ouml;&szlig;enordnung der Gr&ouml;nland-Wintertemperatur&auml;nderung ist im Einklang mit Beobachtungen, was in fr&uuml;heren Modellstudien mit einem realistischen S&uuml;&szlig;wassereintrag nicht gezeigt wurde. Die starke R&uuml;ckkopplung des Meereises und der Oberfl&auml;chenwinde spielte eine wichtige Rolle w&auml;hrend der Klimaver&auml;nderung und es zeigte sich eine Erw&auml;rmung des tieferen Ozeans, die auch von Proxy-Daten angedeutet wird. Diese Schlussfolgerungen demonstrieren die Bedeutung des Hintergrundklimas in eiszeitlichen Klimasimulationen, insbesondere mit Hinblick auf Untersuchungen der Stabilit&auml;t der atlantischen meridionalen Umw&auml;lzzirkulation (Kapitel 2). Dar&uuml;ber hinaus wurde auch der globale Einfluss der AMOC-Ver&auml;nderungen in allen Einzelheiten untersucht. Die Regionen mit einer hohen Empfindlichkeit gegen&uuml;ber AMOC-Ver&auml;nderungen wurden durch die sogenannte Varianzanalyse (ANOVA) erfasst, z.B. die Labradorsee, der s&uuml;dindische Ozean. In diesen Regionen konnte ein linearer Zusammenhang zwischen der Oberfl&auml;chentemperatur bzw. Niederschlagsmenge und der AMOC-Maxima hergestellt werden. Daher eignen sich insbesondere diese Gebiete zur Untersuchung f&uuml;r die Rekonstruktion der AMOC. Tiefere Schichten des Ozeans zeigten unterschiedliche Empfindlichkeiten gegen&uuml;ber einem S&uuml;&szlig;wasserzufluss. Der Nordatlantik zeigte eine generelle hohe Linearit&auml;t von der Wasseroberfl&auml;che bis in den tiefen Ozean wobei diese Linearit&auml;t nicht in den mittleren Ozeanschichten des n&ouml;rdlichen und tropischen Pazifiks beobachtet werden konnte. Noch wichtiger ist, wurden die &Auml;nderungen in der AMOC zwischen Interstadial und Stadial / Heinrich Stadial Staaten auch basierend auf beiden Klimamodelle und Proxy-Datens&auml;tze quantifiziert. Es wurde gesch&auml;tzt, dass die AMOC einen Abschw&auml;cher (9.2 &plusmn; 1.2 Sv) von Interstadial bis Stadial hat und diese Abnahme st&auml;rker von Interstadial bis Heinrich Stadial war (Kapitel 3). Es gibt eine simulierte Verst&auml;rkung der AMOC aufgrund der Schlie&szlig;ung des Panama-Seeweges w&auml;hrend des fr&uuml;hen Plioz&auml;ns hin. Um diesen Prozess n&auml;her zu untersuchen, wurden die Modellergebnisse von sieben Klimamodellen mit unabh&auml;ngigen Einstellungen verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Bildung des Isthmus von Panama zu einer Verst&auml;rkung der AMOC und einer weiteren Abflachung der Thermokline im &auml;quatorialen pazifischen Ozean f&uuml;hrte. Die Ver&auml;nderung in der Thermoklinentiefe war dann die Voraussetzung f&uuml;r die Bildung der heutigen ostpazifischen K&auml;ltezunge. Dieser Prozess wurde verst&auml;rkt durch die R&uuml;ckkopplung des ix Oberfl&auml;chenwindes. Bei Abwesenheit eines dynamischen Atmosph&auml;renmodells konnte ein linearer Zusammenhang zwischen einer AMOC-&Auml;nderung und der Abflachung der Thermokline gezeigt werden (Kapitel 4).</p>
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How to cite 

Zhang Xiao (2014). On the stability of the Atlantic Meridional Overturning Circulation and its climate impact during Late Neogene. PhD Thesis, Universität Bremen. https://archimer.ifremer.fr/doc/00505/61710/