An investigation of carbon cycle dynamics since the last glacial maximum using a climate model of intermediate complexity

• Main Author: Simmons, Christopher
• Other Authors: Damon Matthews (Supervisor2), Lawrence A Mysak (Supervisor1)
• Format: Thesis
• Language: English
• Published: McGill University 2014
• Subjects: Earth Sciences - Atmospheric Sciences; Antarctic; Pacific; Antarc*; Antarctique*; ice core; Ice Sheet; Ice Shelves; Sea ice
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=121260

The University of Victoria Earth System Climate Model (UVic ESCM) v. 2.9 is used in this thesis to investigate two important topics in paleoclimate research: the glacial-to-interglacial rise in CO2 and the Holocene carbon cycle. The UVic ESCM belongs to a class of models known as Earth system Models of Intermediate Complexity (EMICs) (Claussen et al. 2002) and provides a simplified yet comprehensive representation of the climate system and carbon cycle dynamics, including a three-dimensional ocean model, a dynamic-thermodynamic sea ice model, a dynamic global vegetation model, ocean sediments, and a fully-interactive inorganic and organic carbon cycle in the ocean. First, a suite of transient simulations were conducted to cover the period from the Last Glacial Maximum (LGM) to the present (2000 A.D). Simulations including only prescribed orbital forcing and continental ice sheet changes failed to produce an increase in atmospheric CO2 for the simulation period, although they demonstrated significant long-term sensitivity (10-15 ppm) to small (1.9 Tmol yr-1) variations in the weathering rate. Modelling experiments incorporating the full CO2 radiative forcing effect since the Last Glacial Maximum, however, resulted in much higher CO2 concentrations (a 20 ppm increase over those without CO2 radiative forcing) due to a greater ventilation of deep-ocean DIC and decreased oceanic CO2 uptake, related in part to a larger decrease in southern hemisphere sea ice extent. The more thorough ventilation of the deep ocean in simulations with CO2 radiative forcing also caused a larger net alkalinity decrease during the late deglacial and interglacial, allowing atmospheric CO2 to increase by an additional 10 ppm in the simulations presented here. The inclusion of a high latitude terrestrial carbon reservoir provided a net release of carbon to the atmosphere, mostly during the early deglacial, increasing atmospheric CO2 levels to 240-250 ppm. This terrestrial release also provided better agreement with observed changes in carbonate concentrations in the deep ocean since the LGM (Yu et al. 2010). The addition of freshwater fluxes from ice sheet melting in North America added emphasis on the importance of a lower weathering rate during the LGM and early deglacial and indicated that deep water in the North Pacific may become more positively buoyant during freshwater fluxes in the Atlantic due to greater diffusion of heat to the deep ocean by enhanced Pacific intermediate water formation.Second, our results for the Holocene carbon cycle indicate that atmospheric CO2 should decrease between 6000 B.C. and 2000 A.D. without some kind of external forcing not represented in the model. However, the amount of the decrease (8-15 ppm) varied for different ocean circulation states. Furthermore, our simulations demonstrated significant sensitivity to Antarctic marine ice shelves, and these results indicate that more extensive marine ice shelves during the Holocene (relative to previous interglacials) may increase atmospheric CO2 levels by ~5 ppm (from purely physical mechanisms) and as much as 10 ppm when different ocean circulation states or alkalinity changes are included. Adding various anthropogenic land use scenarios to the Holocene carbon cycle were unable to explain the CO2 trend, accounting for only a third of the ice core CO2 increase by 1 A.D. in our most extreme scenario. However, the results imply that external mechanisms leading to a decrease in alkalinity during the Holocene (such as declining weathering rates, more extensive marine ice shelves, terrestrial uptake, more calcifiers, coral reef expansion, etc.) may prevent the ocean from absorbing more of the anthropogenic terrestrial release, allowing the deforestation flux to balance a greater fraction of the Holocene peatland uptake (not modelled) and permitting CO2 to increase from oceanic processes that are normally overwhelmed by northern peatlands. Cette thèse détaille l'application du modèle du système climatique terrestre de l'Université de Victoria (version 2.9) dans le cadre de deux importants champs de recherche en modélisation paléoclimatique : l'augmentation du niveau de dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère durant la plus récente transition glaciaire-interglaciaire, ainsi que l'évolution du cycle du carbone durant l'Holocène. Le modèle utilisé dans cette étude est répertorié comme modèle de complexité intermédiaire (Claussen et al. 2002), offrant un traitement à la fois simplifié et exhaustif de la dynamique du système climatique terrestre et du cycle du carbone. Celui-ci comprend un modèle océanique tridimensionnel, un modèle de glace marine dynamique/thermodynamique, un modèle dynamique et global de la végétation, les sédiments océaniques ainsi qu'un traitement interactif du cycle du carbone organique et inorganique.Premièrement, une série de simulations transitoires sont effectuées afin de couvrir la période s'étendant du plus récent maximum glaciaire (LGM) jusqu'à aujourd'hui (2000 apr. J.-C.). Les simulations fondées uniquement sur une prescription des paramètres orbitaux et des calottes glaciaires ne reproduisent pas l'augmentation du CO2 dans l'atmosphère durant la période transitoire tel que mentionné ci-haut, mais exposent toutefois une certaine sensibilité (10-15 ppm) à de faibles (1.9 Tmol/an) variations dans le taux d'érosion. Dans le cas de simulations prenant en compte la gamme complète des effets radiatifs associés au CO2, par contre, la concentration du CO2 dans l'atmosphère s'avère beaucoup plus élevée (une augmentation de 20 ppm par rapport à celles sans effets radiatifs). Cette différence est causée par une plus importante ventilation de carbone inorganique dissous en eaux profondes ainsi qu'une diminution du taux d'absorption de CO2 par l'océan, qui s'explique en partie par une fonte accélérée de la glace marine dans l'hémisphère Sud. Le changement du régime de ventilation en profondeur a également pour effet de diminuer l'alcalinité marine à partir de la fin de la période de déglaciation, augmentant de 10ppm la concentration de CO2 dans l'atmosphère. La présence d'un réservoir de carbone terrestre an hautes latitudes fournit une source additionnelle de carbone, principalement durant les stages initiaux de la période de déglaciation, permettant ainsi aux niveaux de CO2 dans l'atmosphère d'atteindre les 240-250 ppm. En outre, ceci facilite la validation de nos résultats par rapport aux changements dans la concentration de carbonate observées depuis le dernier maximum glaciaire dans les profondeurs marines (Yu et al. 2010). Le faible taux d'érosion terrestre durant le maximum glaciaire et la période de déglaciation qui a suivi est d'autant plus significatif en raison d'un apport accru d'eau douce de fonte en provenance des calottes glaciaires Nord-Américaines. Deuxièmement, nos résultats quant au cycle du carbone durant l'Holocène pointent vers une certaine diminution du niveau de CO2 dans l'atmosphère se manifestant vers 6000 av. J.-C. et qui, en l'absence de forçage externe au modèle, devrait se maintenir jusqu'à aujourd'hui celle-ci semble toutefois varier (8-15 ppm) en fonction du mode de circulation océanique. De plus, la concentration atmosphérique de CO2 dans nos simulations démontre une importante sensibilité à l'étendue des barrières de glace en Antarctique, d'où notre conclusion qu'une présence accrue de glace marine durant l'Holocène (par rapport aux autres périodes interglaciaires) pourrait augmenter le niveau de CO2 atmosphérique de près de 5 ppm (effets physiques directs), et de pas moins de 10 ppm en considérant la gamme de modes de circulation océanique ainsi que les changements dans l'alcalinité marine.