Simulation of sea ice and ocean variability in the arctic during 1955–2002 with an intermediate complexity model

Abstract

A number of recent sea‐ice and ocean changes in the Arctic and subarctic regions are simulated using the global University of Victoria (UVic) Earth System Climate Model version 2.6. This is an intermediate complexity model which includes a three‐dimensional ocean model (MOM 2.2), an energy‐moisture balance model for the atmosphere with heat and moisture transport, and a dynamic‐thermodynamic sea‐ice model with elastic‐viscous‐plastic rheology. The model is first spun up for 1800 years with monthly wind stress forcing derived from the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) climatology winds and a pre‐industrial atmospheric CO₂ concentration of 280 ppm. After a second spin‐up for the period 1800–1947 with daily climatology winds‐tress forcing, and a linearly increasing atmospheric CO₂ concentration, the model is run with interannually varying wind stresses for the period 1948–2002 with an average forcing interval of 2.5 days and an exponentially increasing atmospheric CO₂ concentration varying from 315 to 365 ppm. However, the analysis of the model output is only carried out for the years 1955–2002.

The simulated maximum and minimum sea‐ice areas for the Arctic are within 6% of the observed climatologies for the years 1978–2001. The model output also shows a small downward trend in sea‐ice extent, which, however, is smaller than has been observed during the past few decades. In addition, the model simulates a decrease in sea‐ice thickness in the SCICEX (SCientific ICe EXpeditions) measurement area in the central Arctic that is consistent with, but smaller than, that observed from submarine sonar profiling data.

The observed variability and magnitude of the export of sea ice through Fram Strait is quite well captured in the simulation. The change in correlation between the North Atlantic Oscillation (NAO) index and the sea‐ice export around 1977 as found in a data study by Hilmer and Jung (2000) is also reproduced. Within the Arctic basin the model simulates well the patterns and the timing of the two major regimes of wind‐forced sea‐ice drift circulation (cyclonic and anticyclonic) as found earlier by Proshutinsky and Johnson (1997). The influence of variations in the Fram Strait ice export on the strength of the North Atlantic thermohaline circulation and surface air temperature are also determined. In particular, it is shown that 3–4 years after a large ice export, the maximum meridional overturning streamfunction decreases by more than 10%.

The temperature and salinity increase at depths of 200–300 m, as observed in the eastern Arctic by Morison et al. (1998), between the USS Pargo cruise in 1993 and the Environmental Working Group (EWG) Joint USRussian Arctic Atlas climatology for the years 1948–87, are just visible in the model simulation. The increases are more noticeable, however, when the ocean model data are averaged over the pentade 1995–2000 and compared with model data averaged over the pentade 1955–60. The fact that these, and some of the other modelled changes, are smaller than the observed changes can likely be attributed to the relatively coarse resolution of the UVic Earth System Climate Model (3.6°E‐W and 1.8°N‐S). Nevertheless, the fact that the model captures qualitatively many of the recent sea‐ice and ocean changes in the Arctic suggests that it can be successfully used to investigate other Arctic‐North Atlantic Ocean climate interactions during past and future eras.

Résumé

[Traduit par la rédaction] Un certain nombre de changements concernant la glace de mer et l'océan dans les régions arctique et sub‐arctique sont simulés à l'aide du modèle climatique global de l'Université de Victoria (UVic), version 2.6. Il s'agit d'un modèle de complexité intermédiaire qui inclut un modèle océanique tridimensionnel (MOM 2.2), un modèle atmosphérique à bilans d'énergie et d'humidité avec transport de chaleur et d'énergie et un modèle de glace de mer dynamique et thermodynamique avec rhéologie élastique‐visqueuse‐plastique. Pour atteindre l'équilibre, on fait d'abord tourner le modèle pendant 1800 ans sous le forçage des vents mensuels et sous une concentration en CO₂ atmosphérique correspondant à la valeur préindustrielle, soit 280 ppm. Les constraintes du vent sont dérivées à partir des vents climatologiques des National Centers for Environmental Prediction (NCEP). Après une deuxième exécution du modèle pour la période 1800–1947 sous le forçage des vents journaliers et sous une concentration en CO₂ atmosphérique augmentant linéairement, le modèle est exécuté sous des constraintes de vent variant d'une année à l'autre pour la période 1948–2002 avec un intervalle moyen de forçage de 2,5 jours et sous une concentration en CO₂ atmosphérique qui augmente exponentiellement de 315 à 365 ppm. Cependant, l'analyse des résultats du modèle n'est faite que pour les années 1955–2002.

Les aires maximales et minimales simulées de glace de mer pour l'Arctique sont en deçà de 6% des valeurs climatologiques observées pour les années 1978–2001. Les résultats du modèle montrent aussi une petite tendance à la baisse dans l'étendue de la glace de mer qui, cependant, est plus petite que celle qui a été observée au cours des dernières décennies. De plus, le modèle simule une diminution d'épaisseur de la glace de mer dans l'aire de mesure du programme SCICEX (SCientific ICe EXpeditions), dans l'Arctique central, qui correspond, tout en étant moindre, à celle observée à l'aide de données de sonars profileurs de sous‐marin.

La variabilité et l'ampleur observées de l'exportation de glace de mer par le détroit de Fram sont assez bien représentées dans la simulation. Le changement de corrélation entre l'indice d'oscillation nord‐atlantique (ONA) et l'exportation de la glace de mer aux environs de 1977, tel que trouvé dans une étude de données réalisée par Hilmer et Jung (2000), est aussi reproduit. À l'intérieur du bassin arctique, le modèle simule bien les configurations et la séquence des deux grands régimes de circulation de dérive de la glace de mer forcée par le vent (cyclonique et anticyclonique), qui ont été trouvées auparavant par Proshutinsky et Johnson (1997). L'influence des variations de l'exportation de glace par le détroit de Fram sur la force de la circulation thermohaline dans l'Atlantique Nord et sur la température de l'air en surface est également déterminée. En particulier, il apparaît que de 3 à 4 ans après une forte exportation de glace, la fonction de courant maximum de la circulation thermohaline dans l'Atlantique diminue par plus de 10%.

Les accroissements de température et de salinité à des profondeurs de 200 à 300 m, tels qu'observés dans l'est de l'Arctique par Morison et coll. (1998) entre le voyage du USS Pargo en 1993 et l'étude climatologique du projet Environmental Working Group (EWG) Joint US‐Russian Arctic Atlas pour les années 1948–1987, sont tout juste visibles dans la simulation du modèle. Les accroissements sont plus notables, cependant, quand les données du modèle océanique sont moyennées sur la période 1995–2000 et comparées aux données du modèle moyennées sur la période 1955–1960. Le fait que ces accroissements, et certains des autres changements modélisés, soient plus petits que les changements observés peut sans doute être attribué à la résolution plutôt grossière du modèle climatique du système terrestre UVic : 3,6° E‐O et 1,8° N‐S. Néanmoins, le fait que le modèle représente qualitativement plusieurs des changements récents dans la glace et l'océan dans la région arctique suggère qu'on peut l'utiliser avantageusement pour étudier d'autres interactions climatiques Arctique‐Atlantique Nord pour des époques passées ou futures.

Notes

Corresponding author's email: [email protected]