Ocean dynamisk termostat

Ocean dynamisk termostat är en fysisk mekanism genom vilken förändringar i den genomsnittliga strålningskraften påverkar gradienterna av havsytans temperaturer i Stilla havet och styrkan i Walker-cirkulationen . Ökad strålningskraft (uppvärmning) är mer effektiv i västra Stilla havet än i östra där uppströmningen av kalla vattenmassor dämpar temperaturförändringen. Detta ökar öst-västlig temperaturgradient och stärker Walker-cirkulationen. Minskad strålningskraft (kylning) har motsatt effekt.

Processen har åberopats för att förklara variationer i Stilla havets temperaturgradienter som korrelerar med solinstrålning och klimatvariationer. Det kan också vara ansvarigt för den hypoteserade korrelationen mellan El Niño -händelser och vulkanutbrott , och för förändringar i temperaturgradienterna som inträffade under 1900-talet. Huruvida den dynamiska termostaten för havet styr Stilla havets reaktion på mänsklig global uppvärmning är oklart, eftersom det finns konkurrerande processer på spel; potentiellt kan det driva en La Niña -liknande klimattendens under initial uppvärmning innan den åsidosätts av andra processer.

Bakgrund

Ekvatorial-Stillahavsområdet är en nyckelregion på jorden när det gäller dess relativa inflytande på den världsomspännande atmosfäriska cirkulationen. En karakteristisk öst-västlig temperaturgradient är kopplad till en atmosfärisk cirkulation, Walker-cirkulationen , och styrs vidare av atmosfärisk och oceanisk dynamik. Västra Stilla havet har den så kallade "varma poolen", där jordens varmaste havsyttemperaturer (SST) finns. I östra Stilla havet är omvänt ett område som kallas den "kalla tungan" alltid kallare än den varma poolen även om de ligger på samma breddgrad, eftersom kallt vatten strömmar upp där. Temperaturgradienten mellan de två inducerar i sin tur en atmosfärisk cirkulation, Walker-cirkulationen, som reagerar starkt på SST-gradienten.

En viktig komponent i klimatet är El Niño-Southern Oscillation (ENSO), ett sätt för klimatförändringar. Under dess positiva/El Niño-fas är vattnet i centrala och östra Stilla havet varmare än normalt medan det under dess kyla/La Niña är kallare än normalt. Kopplat till dessa SST-förändringar atmosfärstryckskillnaden mellan förändringarna i östra och västra Stilla havet. Variationer i ENSO- och Walker-cirkulationen har globala effekter på vädret, inklusive naturkatastrofer som skogsbränder , torka , översvämningar och tropisk cyklonaktivitet . Den atmosfäriska cirkulationen modulerar värmeupptaget av havet, styrkan och positionen hos den intertropiska konvergenszonen (ITCZ), tropisk nederbörd och styrkan hos den indiska monsunen .

Ursprunglig hypotes av Clement et al. (1996) och Sun och Lius (1996) prejudikat

Redan i maj 1996 publicerade Sun och Liu en hypotes om att kopplade interaktioner mellan havsvindar, havsytan och havsströmmar kan begränsa vattentemperaturerna i västra Stilla havet. Som en del av den studien fann de att ökade jämviktstemperaturer driver en ökad temperaturgradient mellan östra och västra Stilla havet.

Den havsdynamiska termostatmekanismen beskrevs i en dedikerad publikation av Clement et al. 1996 i en kopplad ocean-atmosfär-modell av ekvatorialhavet. Eftersom SST i västra Stilla havet endast styrs av lagrad värme och värmeflöden, medan i östra Stilla havet även horisontell och vertikal advektion spelar en roll. Således värmer en påtvingad uppvärmningskälla i första hand västra Stilla havet, vilket inducerar starkare östliga vindar som underlättar uppströmning i östra Stilla havet och kyler dess temperatur - ett mönster motsatt det förväntade från uppvärmningen. Kallt vatten som strömmar upp längs ekvatorn sprider sig sedan bort från den, vilket minskar den totala uppvärmningen av bassängen. Temperaturgradienten mellan västra och östra Stilla havet ökar alltså, vilket förstärker passadvindarna och ökar uppströmningen ytterligare; detta resulterar så småningom i ett klimattillstånd som liknar La Niña. Mekanismen är säsongsbetonad då uppsvällning är minst effektiv på den boreala våren och mest effektiv på den boreala hösten; därför är den huvudsakligen i drift på hösten. På grund av den vertikala temperaturstrukturen blir ENSO-variabiliteten mer regelbunden under kylning med termostatmekanismen, men dämpas under uppvärmningen.

Modellen av Clement et al. 1996 tar endast hänsyn till temperaturavvikelser och står inte för hela energibudgeten. Efter en tid spred sig uppvärmningen till källområdena i det uppsvällda vattnet och i termoklinen, vilket så småningom dämpade termostaten. Den huvudsakliga bristen i modellen är att den förutsätter att temperaturen på det uppsvällda vattnet inte förändras över tiden.

Senare forskning

Senare studier har verifierat den havsdynamiska termostatmekanismen för ett antal klimatmodeller med olika strukturer av uppvärmning och även förekomsten av motsatt respons - en minskning av SST-gradienten - som svar på klimatkylning. I helt kopplade modeller förnekar en tendens hos den atmosfäriska cirkulationen att intensifiera med minskande solinstrålning ibland termostatens svar på minskad solaktivitet. Liu, Lu och Xie 2015 föreslog att en havsdynamisk termostat också kan fungera i Indiska oceanen, och konceptet har utökats till att täcka Indo-Stillahavsområdet som helhet snarare än bara det ekvatoriala Stilla havet.

Vatten rinner från västra Stilla havet in i Indiska oceanen genom sundet mellan Australien och Asien, ett fenomen som kallas det indonesiska genomflödet . Rodgers et al. 1999 postulerade att starkare passadvindar associerade med havets dynamiska termostat kan öka havsnivåskillnaden mellan Indiska och Stilla havet, öka genomströmningen och kyla Stilla havet ytterligare.

Roll i klimatförändringar

Den havsdynamiska termostaten har använts för att förklara:

Vulkaniska och solinfluenser

Den havsdynamiska termostatmekanismen har använts för att koppla vulkanutbrott till ENSO-förändringar. Vulkanutbrott kan kyla jorden genom att injicera aerosoler och svaveldioxid i stratosfären , som reflekterar inkommande solstrålning. Det har föreslagits att vulkanutbrott i paleoklimatregister ofta följs av El Niño-händelser, men det är tveksamt om detta gäller kända historiska utbrott och resultat från klimatmodellering är tvetydiga . I vissa klimatmodeller orsakar en havsdynamisk termostatprocess uppkomsten av El Niño-händelser efter vulkanutbrott, i andra åsidosätter ytterligare atmosfäriska processer effekten av den havsdynamiska termostaten på Stillahavs SST-gradienter.

Den havsdynamiska termostatprocessen kan förklara variationer i Stillahavs SST i östra Stilla havet som korrelerar med solinstrålningsförändringar som Dalton Minimum . Under den tidiga och mellersta holocenen när solinstrålningen på hösten och sommaren ökade, men också under den medeltida klimatanomalin mellan 900-1300 e.Kr. , var SST utanför Baja California i östra Stilla havet kallare än vanligt. Sydvästra Nordamerika genomgick allvarliga megatorka under denna tid, vilket också kan relatera till en La Niña-liknande tendens i Stillahavs-SST. Omvänt ökade SST under perioder med låg solinstrålning och under den lilla istiden . Denna region ligger inom Kaliforniens ström som påverkas av östra Stilla havet som styr temperaturen på uppsvällt vatten. Detta bekräftades ytterligare av analyser med ytterligare foraminifera- arter. Ökad produktivitet i havsvattnet utanför Peru under den medeltida klimatavvikelsen och den romerska varma perioden mellan 50-400 e.Kr. , när det världsomspännande klimatet var varmare, kan uppstå genom en termostatdriven grundning av termoklinen och ökad uppsvällning av näringsrika vatten . Ytterligare mekanismer som kopplar det ekvatoriala Stillahavsklimatet till förändringar i solinstrålningen har dock föreslagits.

Roll i de senaste klimatförändringarna

Förändringar i ekvatoriala Stillahavs-SST orsakade av antropogen global uppvärmning är ett viktigt problem i klimatprognoser, eftersom de påverkar lokala och globala klimatmönster. Den havsdynamiska termostatmekanismen förväntas minska den antropogena uppvärmningen av östra Stilla havet i förhållande till västra Stilla havet, och därmed stärka SST-gradienten och Walker-cirkulationen. Detta motarbetas av en försvagning av Walker-cirkulationen och den mer effektiva evaporativa kylningen av västra Stilla havet under global uppvärmning. Denna kompensation mellan olika effekter gör det svårt att uppskatta det slutliga resultatet av Walker-cirkulationen och SST-gradienten. I CMIP5- modeller är det vanligtvis inte den dominerande effekten.

Den havsdynamiska termostaten har använts för att förklara motsägelsefulla förändringar i Stilla havet under 1900-talet. Specifikt verkar det finnas en samtidig ökning av SST-gradienten, men också en försvagning av Walker-cirkulationen, särskilt under boreala sommaren. Alla dessa observationer är osäkra på grund av de särskilda valen av mått som används för att beskriva SST-gradienter och Walkers cirkulationsstyrka, såväl som mätproblem och fördomar. Den havsdynamiska termostatmekanismen kan dock förklara varför SST-gradienten har ökat under den globala uppvärmningen och även varför Walkers cirkulation blir starkare på hösten och vintern, eftersom det är de årstiderna då uppströmningen är starkast. Å andra sidan kan uppvärmning i Atlanten och mer allmänt förändringar i temperaturgradienter mellan havet spela en roll.

Prognostiserade framtida förändringar

Klimatmodeller visar vanligtvis en El Niño-liknande förändring, det vill säga en minskning av SST-gradienten. I många modeller finns det ett tidsberoende mönster med en initial ökning av SST-gradienten ("snabb respons") följt av en försvagning av gradienten ("långsam respons"), särskilt men inte bara i fallet med abrupta ökningar av växthusgaser. gaskoncentrationer. Detta kan återspegla en minskande styrka hos den dynamiska havstermostaten med ökande uppvärmning och uppvärmningen av det uppsvällda vattnet, vilket inträffar med en fördröjning på några decennier efter ytuppvärmningen och är känd som "havstunneln". Å andra sidan kan klimatmodeller underskatta styrkan i termostateffekten.

  • Enligt An och Im 2014 kyler en fördubbling av koldioxidkoncentrationerna i en oceanisk dynamisk modell initialt den östra Stillahavstungan, men en ytterligare ökning av koldioxidkoncentrationerna gör så småningom att nedkylningen stannar och den kalla tungan krymper. Deras modell tar inte hänsyn till förändringar i termoklintemperaturen, som skulle tendera att inträffa efter över ett decennium av global uppvärmning.
  • Enligt Luo et al. 2017 överväldigas den havsdynamiska termostaten så småningom först av en försvagning av passadvindarna och ökad havsskiktning som minskar tillförseln av kallt vatten till uppströmningszonerna, och för det andra av ankomsten av varmare subtropiska vatten där. I deras modell tar övergången ungefär ett decennium.
  • Enligt Heede, Fedorov och Burls 2020 gör den större klimatuppvärmningen utanför tropikerna än inuti dem så småningom att vattnet som kommer till de uppväxande regionerna värms upp och att havsströmmarna som transporterar det försvagas. Detta förnekar termostateffekten efter cirka två decennier vid en abrupt ökning av koncentrationerna av växthusgaser, och efter cirka ett halvt till ett sekel när koncentrationerna av växthusgaser ökar långsammare.
  • Med ytterligare uppvärmning av det underjordiska havet förväntas styrkan hos den havsdynamiska termostaten avta, eftersom den minskande skiktningen gör att rörelsemängden är mindre koncentrerad i ytskiktet och därmed uppströmningen minskar.
  • Enligt Heede och Fedorov 2021, i vissa klimatmodeller råder termostatmekanismen initialt över andra mekanismer och orsakar en avkylning av det subtropiska och centrala Stilla havet. Så småningom konvergerar de flesta modeller till ett ekvatorialt uppvärmningsmönster.

Andra sammanhang

Termen "dynamisk havstermostat" har också använts i lite olika sammanhang:

  • Samspelet mellan en försvagad Walker-cirkulation och den ekvatoriala underströmmen . Specifikt minskar svagare östliga vindar i Stilla havet underströmmens bromsning och accelererar den. Denna process dominerar över minskningen av underströmmens motflöde österut. Således kan en svagare Walker-cirkulation öka flödet av Underströmmen och därmed uppströmningen i östra Stilla havet, vilket kyler det. Kopplade generella cirkulationsmodeller visar ofta inte detta svar av underströms- och SST-gradienterna korrekt; den förra kan vara orsaken till den utbredda underskattningen av SST-gradienterna i dessa modeller.
  • Starkare vindar driver evaporativ kylning av tropisk SST.
  • Enligt Heede, Fedorov och Burls 2020, som svar på plötsliga ökningar av växthusgaskoncentrationer, tillåter svaga klimatologiska vindar Indiska oceanen att värmas upp mer än Stilla havet. Detta tenderar att inducera starkare östliga vindar över Stilla havet som ytterligare dämpar uppvärmningen i Stilla havet. Till skillnad från den dynamiska havstermostaten är dock denna kylningseffekt koncentrerad till centrala östra Stilla havet, medan västliga vindar inducerade av uppvärmning över Sydamerika gör att östra Stilla havet värms upp.

Anteckningar

Källor

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ocean_dynamical_thermostat&oldid=1128969886 "