Übersetzung des Fachartikels aus
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk1189
Eines der wichtigsten Klima-Kippelemente ist die Atlantische meridionale Umwälzzirkulation (AMOC), die durch den Zustrom von Süßwasser in den Nordatlantik potenziell kollabieren kann.
Obwohl AMOC-Kollaps in komplexen globalen Klimamodellen durch starken Süßwasserantrieb ausgelöst wurden, wurden die Prozesse eines AMOC-Kippereignisses bisher nicht untersucht.
Hier zeigen wir Ergebnisse des ersten Kippereignisses im Community Earth System Model, einschließlich der erheblichen Klimaauswirkungen des Kollapses. Auf Basis dieser Ergebnisse entwickeln wir ein physikalisch fundiertes und beobachtbares Frühwarnsignal für ein AMOC-Kippen: das Minimum des AMOC-induzierten Süßwassertransports an der Südgrenze des Atlantiks. Reanalyseprodukte deuten darauf hin, dass die heutige AMOC auf dem Weg zum Kippen ist. Das Frühwarnsignal ist eine nützliche Alternative zu klassischen statistischen Signalen, die sich, angewendet auf unser simuliertes Kippereignis, als empfindlich gegenüber dem analysierten Zeitintervall vor dem Kippen erweisen.
EINFÜHRUNG
Die Atlantische meridionale Umwälzzirkulation (AMOC) transportiert effektiv Wärme und Salz durch den globalen Ozean ( 1 ) und beeinflusst das regionale und globale Klima stark. Kontinuierliche Abschnittsmessungen der AMOC, die seit 2004 bei 26°N vom RAPID-MOCHA-Array ( 2 ) verfügbar sind, haben gezeigt, dass die Stärke der AMOC um einige Sverdrups (1 Sv = 10 6 m3 s −1 ) von 2004 bis 2012 und hat sich danach wieder verstärkt ( 3 ). Die Variabilität der AMOC-Stärke über längere Zeiträume, die anhand von Zeitreihen der Meeresoberflächentemperatur (SST) auf Grundlage von „Fingerabdruck“-Mustern geschätzt wurde ( 4 ), weist darauf hin, dass die AMOC seit etwa 1950 um 3 ± 1 Sv abgeschwächt ist. Proxy-Aufzeichnungen lassen darauf schließen, dass sich die AMOC derzeit in ihrem schwächsten Zustand seit über einem Jahrtausend befindet ( 5 ).
Die AMOC gilt als eines der Kippelemente im Klimasystem ( 6 , 7 ), da sie sich unter einem sich langsam entwickelnden Antrieb relativ rasch ändern kann. Die AMOC reagiert besonders empfindlich auf den Süßwasserantrieb des Ozeans, entweder durch den Süßwasserfluss an der Oberfläche (z. B. Niederschlag) oder durch Süßwasserzufuhr durch Flussabfluss oder Eisschmelze (z. B. vom grönländischen Eisschild). Obwohl in historischen Beobachtungen kein Kippen der AMOC festgestellt wurde, deuten Proxy-Aufzeichnungen darauf hin, dass es in der geologischen Vergangenheit während der sogenannten Dansgaard-Oeschger-Ereignisse zu abrupten AMOC-Änderungen kam ( 8 – 10 ).
Klassische Frühwarnindikatoren wie die Zunahme der Varianz und/oder die (Lag-1)-Autokorrelation deuten bei Anwendung auf SST-basierte Zeitreihen darauf hin, dass sich die heutige AMOC vor Ende dieses Jahrhunderts einem Kipppunkt nähert ( 11 , 12 ). Abgesehen davon, dass die SST-basierten AMOC-Fingerabdrücke das AMOC-Verhalten möglicherweise nicht angemessen darstellen, sind viele (statistische) Annahmen erforderlich, um den nahenden AMOC-Kipppunkt abzuschätzen ( 12 – 15 ). Daher besteht ein dringender Bedarf an einem physikalisch fundierteren, beobachtbaren und zuverlässigeren Frühwarnindikator, der den AMOC-Kipppunkt charakterisiert.
ERGEBNISSE
AMOC-Zusammenbruch
Um einen solchen Frühwarnindikator zu entwickeln, führten wir eine gezielte Simulation durch, um ein AMOC-Kippereignis im Community Earth System Model (CESM; Version 1.0.5) zu finden. Diese CESM-Version, die im Coupled Model Intercomparison Project (CMIP), Phase 5, verwendet wurde, hat horizontale Auflösungen von 1° für die Ozean-/Meereiskomponenten und 2° für die Atmosphäre-/Landkomponenten (siehe Materialien und Methoden).
Wir beginnen mit einer statistischen Gleichgewichtslösung einer vorindustriellen Kontrollsimulation ( 16 ) und halten die Treibhausgas-, Solar- und Aerosolantriebe während der Simulation auf vorindustriellem Niveau konstant. Einem Quasi-Gleichgewichtsansatz ( 17 – 19 ) folgen wir durch Hinzufügen einer langsam variierenden Süßwasserflussanomalie F H im Nordatlantik über der Region zwischen den Breitengraden 20°N und 50°N. Diese Süßwasserflussanomalie wird über den Rest des Bereichs kompensiert, wie im Einschub von Abb. 1A gezeigt . Wir haben den Süßwasserflussantrieb linear mit einer Rate von 3 × 10 −4 Sv pro Jahr −1 erhöht , bis zum Modelljahr 2200, in dem ein Maximum von F H = 0,66 Sv erreicht wird. Eine derartige Simulation wurde bisher mit einem komplexen globalen Klimamodell (GCM) (das in CMIP5 und darüber hinaus verwendet wurde) wie der hier verwendeten CESM-Version nicht durchgeführt, da der Rechenaufwand hoch ist und sie für eine Reihe verschiedener GCMs nicht ohne weiteres wiederholt werden kann.
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