Climate Comparisons and Change Projections for the Northwest Atlantic from Six CMIP5 Models

Abstract

Key physical variables for the Northwest Atlantic (NWA) are examined in the “historical” and two future Representative Concentration Pathway (RCP) simulations of six Earth System Models (ESMs) available through Phase 5 of the Climate Model Intercomparison Project (CMIP5). The variables are air temperature, sea-ice concentration, surface and subsurface ocean temperature and salinity, and ocean mixed-layer depth. Comparison of the historical simulations with observations indicates that the models provide a good qualitative and approximate quantitative representation of many of the large-scale climatological features in the NWA (e.g., annual cycles and spatial patterns). However, the models represent the detailed structure of some important NWA ocean and ice features poorly, such that caution is needed in the use of their projected future changes. Monthly “climate change” fields between the bidecades 1986–2005 and 2046–2065 are described, using ensemble statistics of the changes across the six ESMs. The results point to warmer air temperatures everywhere, warmer surface ocean temperatures in most areas, reduced sea-ice extent and, in most areas, reduced surface salinities and mixed-layer depths. However, the magnitudes of the inter-model differences in the projected changes are comparable to those of the ensemble-mean changes in many cases, such that robust quantitative projections are generally not possible for the NWA.

Résumé

[Traduit par la redaction] Nous examinons des variables physiques d'importance pour l'Atlantique Nord-Ouest, dans le cadre d'une simulation du passé et de deux simulations du futur, effectuées suivant les profils représentatifs d’évolution des concentrations (RCP), à l'aide de six modèles du système terrestre (ESM), exploités dans le cadre de la phase 5 du projet d'intercomparaison de modèles couplés (CMIP5). Les variables visées sont la température de l'air, la concentration de la glace de mer, la température et la salinité en surface et subsurface de la mer, et la profondeur de la couche de mélange marine. La comparaison des simulations du passé avec les observations indique que les modèles fournissent une bonne représentation qualitative et une représentation quantitative approximative de plusieurs des caractéristiques climatologiques de grande échelle dans l'Atlantique Nord-Ouest (p. ex. des cycles annuels et des configurations spatiales). Toutefois, les modèles représentent mal la structure fine de certaines caractéristiques marines et glaciaires importantes du nord-ouest de l'Atlantique. Ainsi, la prudence s'impose si l'on utilise l’évolution prévue de celles-ci. Nous décrivons des champs mensuels d’« évolution climatique » entre les périodes de vingt ans allant de 1986 à 2005 et de 2046 à 2065, et ce, à l'aide de statistiques d'ensemble représentant les changements que prévoient les six modèles du système terrestre. Les résultats laissent présager une augmentation généralisée des températures, une hausse des températures de la surface de l'océan dans la plupart des régions, une diminution de l’étendue de la glace marine et, dans la plupart des régions, une réduction de la salinité de surface ainsi que de la profondeur de la couche de mélange. Néanmoins, dans plusieurs cas, les écarts entre les modèles qui prévoient ces changements s'avèrent comparables à ceux des moyennes d'ensemble des changements, de façon que des projections quantitatives fiables ne soient généralement pas possibles pour le nord-ouest de l'Atlantique.

KEYWORDS:

• climate change projections
• Northwest Atlantic
• Earth System Models
• air temperature
• ocean temperature
• salinity
• sea ice
• mixed-layer depth

Acknowledgements

We acknowledge the World Climate Research Programme's Working Group on Coupled Modelling, which is responsible for CMIP, and we thank the climate modelling groups (listed in Table 1 of this paper) for producing and making available their model output. For CMIP the US Department of Energy's Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison provides coordinating support and led development of software infrastructure in partnership with the Global Organization for Earth System Science Portals.

We also gratefully acknowledge the availability of observational data from DFO's AZMP and AZOMP, EC's AHCCD, the international Argo program, and other institutes and international organizations. Key contributions to the study were the availability of surface fields from the six ESMs interpolated to a common grid provided by Jim Christian of DFO's Institute of Ocean Science (IOS) and observational time series from DFO's AZMP provided by Roger Pettipas of DFO's Bedford Institute of Oceanography, to whom we are very grateful. We also thank Diane Lavoie of DFO's Maurice Lamontange Institute (MLI) and colleagues at EC's CCCma for sharing model fields, Zeliang Wang for providing the HadISST1 bidecadal fields, and the following for other inputs to the study and/or comments on our earlier report or this paper: David Brickman, Jim Christian, Brendan DeTracey, Guoqi Han, Diane Lavoie, Warren Lee, Bill Merryfield, Ingrid Peterson, Jean-Philippe Paquin, and Oleg Saenko, as well as three anonymous reviewers.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.

Additional information

Funding

The work presented here was partly funded by DFO's ACCASP and Climate Change Science Initiative.