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

• Main Author: Zhang, Xiao
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universität Bremen 2014
• Subjects: Atlantic Meridional Overturning Circulation; Climate instability; State-of-the-art model simulation; Greenland; Indian; Pacific; Grönland; North Atlantic; Sea ice
• Online Access: https://archimer.ifremer.fr/doc/00505/61710/65679.pdf; https://archimer.ifremer.fr/doc/00505/61710/

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). Schwerpunkt der vorliegenden Dissertation ist die Stabilität der atlantischen meridionalen Umwälzzirkulation (AMOC) während des marinen Sauerstoffisotopenstadiums 3 (MIS3) und die Reaktion des globalen Klimas auf eine Änderung der AMOC während des späten Neogens unter Verwendung der numerischen Klimamodellierung, basierend auf Klimamodellen mittlerer (EMIC) und hoher Komplexität. Es werden die Ergebnisse von zwei Zeitintervallen analysiert: 1) 38 ka BP (Tausend Jahre vor heute), während des stärksten Heinrich-Ereignisses im MIS3 (Heinrich Ereignis 4) und 2) 4-5 Ma (Millionen Jahre vor heute), während der Bildung des Isthmus von Panama. Aufgrund des bedeutenden Wärme- und Stofftransports und die damit einhergehende Beeinflussung auf das globale Klima ist die AMOC ein wichtiger Bestandteil des Klimasystems. Um die Klimaveränderungen in der Vergangenheit, Gegenwart und in der Zukunft zu verstehen, ist es notwendig die Stabilität der AMOC zu ermitteln. Es wird angenommen, dass Veränderungen in der Stärke der AMOC mit den Ereignissen abrupter Klimawechsel während des MIS 3 (57-29 ka BP) und mit der Änderung in der tropischen Thermokline des Pazifischen Ozeans im Pliozän einhergehen. Eine starke Zirkulation steht im Zusammenhang mit einem milden Interstadial, während eine schwache Zirkulation mit einem kalten Stadial in Verbindung gebracht wird. Ein großer Zufluss von Süßwasser in Form von schmelzenden Eisbergen im nordatlantischen Ozean führte vermutlich zu einer Veränderung in der Stärke der AMOC und löste somit wahrscheinlich einen abrupten Klimawechsel aus. Einerseits zeigen vereinfachte Klimamodelle, dass das Auftreten dieser abrupten Klimaschwankungen vermutlich auf die multiplen Gleichgewichtszustände der AMOC zurückgeführt werden kann. Andererseits werden in Klimamodellen höherer Komplexität mithilfe von sogenannten Süßwasser-Simulationen gegensätzliche Ergebnisse in Bezug auf die Stabilität der AMOC aufgezeigt. Die komplexeren Klimamodelle hervorbringen eine monostabile AMOC, während die Modelle mittlerer Komplexität eine multistabile AMOC aufweisen. Die größte Unzulänglichkeit dieser Simulationen ist der Zustand, dass die meisten Experimente unter Berücksichtigung verschiedener AMOC Stabilitäten im abweichenden Klima (z.B. größere Meereisbedeckung während eines kalten Klimas) mit dem heutigen Hintergrundklima durchgeführt wurden. Daher füllte diese Dissertation diese Lücke aufgrund der Durchführung von AMOC Simulationen anhand von Klimamodellen mit den glazialen Randbedingungen vor 38 ka BP. Die AMOC Stabilität und wie ihre Veränderung sich auf das globale Klima auswirkt, wurde systematisch anhand von Süßwasser-Experimenten untersucht. Es zeigte sich, dass die AMOC sich in einem monostabilen Zustand während eines kalten Stadials befindet und dass der externe Süßwasserzufluss essentiell viii war um die AMOC zu kontrollieren. Während des Klimas vor 38 ka BP war die AMOC besonders instabil gegen kleine Süßwasserzuflüsse (± 0,02 Sv). Die Beobachtung eines Grenzwertverhaltens sowohl in der Eisbedeckung auf der nördlichen Hemisphäre als auch in den Temperaturen in Grönland in Bezug auf die AMOC-Maxima deutet einen Übergang des Klimasystems zwischen einem milden Interstadial und einem kalten Stadial an. Ergebnisse verschiedener Experimente zeigten, dass die Temperatur in Grönland hauptsächlich von der Meereisbedeckung der nördlichen Hemisphäre gesteuert wird, denn die simulierte Größenordnung der Grönland-Wintertemperaturänderung ist im Einklang mit Beobachtungen, was in früheren Modellstudien mit einem realistischen Süßwassereintrag nicht gezeigt wurde. Die starke Rückkopplung des Meereises und der Oberflächenwinde spielte eine wichtige Rolle während der Klimaveränderung und es zeigte sich eine Erwärmung 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 Stabilität der atlantischen meridionalen Umwälzzirkulation (Kapitel 2). Darüber hinaus wurde auch der globale Einfluss der AMOC-Veränderungen in allen Einzelheiten untersucht. Die Regionen mit einer hohen Empfindlichkeit gegenüber AMOC-Veränderungen wurden durch die sogenannte Varianzanalyse (ANOVA) erfasst, z.B. die Labradorsee, der südindische Ozean. In diesen Regionen konnte ein linearer Zusammenhang zwischen der Oberflächentemperatur bzw. Niederschlagsmenge und der AMOC-Maxima hergestellt werden. Daher eignen sich insbesondere diese Gebiete zur Untersuchung für die Rekonstruktion der AMOC. Tiefere Schichten des Ozeans zeigten unterschiedliche Empfindlichkeiten gegenüber einem Süßwasserzufluss. Der Nordatlantik zeigte eine generelle hohe Linearität von der Wasseroberfläche bis in den tiefen Ozean wobei diese Linearität nicht in den mittleren Ozeanschichten des nördlichen und tropischen Pazifiks beobachtet werden konnte. Noch wichtiger ist, wurden die Änderungen in der AMOC zwischen Interstadial und Stadial / Heinrich Stadial Staaten auch basierend auf beiden Klimamodelle und Proxy-Datensätze quantifiziert. Es wurde geschätzt, dass die AMOC einen Abschwächer (9.2 ± 1.2 Sv) von Interstadial bis Stadial hat und diese Abnahme stärker von Interstadial bis Heinrich Stadial war (Kapitel 3). Es gibt eine simulierte Verstärkung der AMOC aufgrund der Schließung des Panama-Seeweges während des frühen Pliozäns hin. Um diesen Prozess näher zu untersuchen, wurden die Modellergebnisse von sieben Klimamodellen mit unabhängigen Einstellungen verglichen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Bildung des Isthmus von Panama zu einer Verstärkung der AMOC und einer weiteren Abflachung der Thermokline im äquatorialen pazifischen Ozean führte. Die Veränderung in der Thermoklinentiefe war dann die Voraussetzung für die Bildung der heutigen ostpazifischen Kältezunge. Dieser Prozess wurde verstärkt durch die Rückkopplung des ix Oberflächenwindes. Bei Abwesenheit eines dynamischen Atmosphärenmodells konnte ein linearer Zusammenhang zwischen einer AMOC-Änderung und der Abflachung der Thermokline gezeigt werden (Kapitel 4).