Impact of ocean tides on the climate system during the pre-industrial period, the early Eocene, and the Albian : Einfluss der ozeanischen Gezeiten auf das Klimasystem während der vorindustriellen Zeit, dem frühen Eozän und dem Albium - Weber, Tobias (Freie Universität Berlin, 2016)
Climate simulations for the coming century indicate higher global mean surface temperatures than at present day. Understanding of the dynamics of oceans, atmosphere, cryosphere, and vegetation in warm climates is therefore crucial for improving climate projections. Reconstructions based on proxy data show that the early Eocene (∼55.8 to 48.6 million years ago) and the Albian (∼112.9 to 99.6 million years ago) were two warm periods characterized by global mean surface temperatures that were 8–12°C higher than at present day. Several plausible hypotheses intend to explain their reduced meridional temperature gradient; nevertheless, the mechanisms leading to this phenomenon are still not well understood. The atmosphere is strongly dependent on the boundary forcing from the ocean. The ocean circulation is affected by lunisolar tidal potential that induces long-term tidal residual mean currents and thereby influences the general ocean circulation. Through this process the advection of heat is altered in the ocean and, thus, the oceanic temperature distribution is modified. This alters mean sea surface conditions and thus the lower boundary conditions for sea ice and atmosphere. This means that both sea ice dynamics and the lower atmosphere are modified by oceanic tidal dynamics on climatological time-scales. Until now, most climate studies and all paleo- climate reconstructions have neglected the influence of tidal forcing on ocean and atmosphere dynamics. In this thesis, the coupled atmosphere-ocean model ECHAM5/MPIOM is employed to simulate the climate of a pre-industrial period, the early Eocene, and the Albian. Furthermore, lunisolar tidal forcing is included in the ocean model MPIOM in order to study, for the first time, the effects of tidal dynamics on the ocean and the atmosphere in a paleo-climatic context. The simulations of the early Eocene and the Albian reveal feedback mechanisms between sea ice and the heat flux from the ocean to the atmosphere that decrease the meridional temperature gradient. The modeled tidal system does not only depend on the lunisolar forcing, but is also influenced by geometric resonance conditions in the ocean that change on geological time- scales. The tidal system and the impact of tides on the ocean are therefore different for the pre-industrial period, the early Eocene, and the Albian. Impacts of tidal forcing include a local increase of multi-annual mean 2 m temperature by up to 4°C in the pre-industrial Weddell Sea, a doubling of velocities in most of the deep ocean during the early Eocene and a modification by more than 20% of the transport by the global meridional overturning circulation in the early Eocene and the Albian. Tides influence multi-decadal mean ocean currents in the intermediate and deep ocean, the oceanic temperature distribution, the meridional overturning circulation, and the heat fluxes from the ocean to the atmosphere locally in the range of 10% to 200%. The impact of ocean tides on the climate system is therefore relevant for climate simulations of the past, present and future. Future research in climate modeling should hence further consider influences of ocean tides on the climate system. : Klimasimulationen für das kommende Jahrhundert deuten auf einen Temperaturanstieg hin. Das Verständnis der Dynamik des Ozeans, der Atmosphäre, der Kryosphäre und der Vegetation in warmen Klimata ist daher grundlegend für die Verbesserung von Klimaprognosen. Das frühe Eozän (vor ca. 55.8 bis 48.6 Millionen Jahren) und das Albium (vor ca. 112.9 bis 99.6 Millionen Jahren) waren zwei warme Klimata die von Proxydaten im globalen Mittel um 8–12°C wärmer rekonstruiert werden als das heutige Klima. Mehrere plausible Hypothesen versuchen den reduzierten meridionalen Temperaturgradienten von warmen Klimata zu erklären. Die Mechanismen, die zu diesem Phänomen führen, sind jedoch bisher nur unzulänglich verstanden. Die Atmosphäre ist stark abhängig von den ozeanischen Randbedingungen. Die Ozeanzirkulation wird durch das lunisolare Gezeitenpotential beeinflusst, welches langfristige Gezeitenrestströme induziert, wodurch die allgemeine Ozeanzirkulation beeinflusst wird. Dadurch wird die Wärmeadvektion im Ozean verändert und somit die ozeanische Temperaturverteilung modifiziert. Dies verändert die mittleren ozeanischen Oberflächeneigenschaften und daher die untere Randbedingung für Seeeis und Atmosphäre. Hierdurch werden die Dynamik sowohl des Seeeises als auch der unteren Atmosphäre auf langen Zeitskalen beeinflusst. Bis jetzt wurden die Einflüsse von Gezeitenantrieb auf den Ozean und die Atmosphäre in den meisten Klimastudien und in allen paläo-Klimarekonstruktionen vernachlässigt. In dieser Arbeit wird das gekoppelte Atmosphären-Ozean-Modell ECHAM5/MPIOM verwendet um die Klimata einer vorindustriellen Periode, des frühen Eozäns und des Albiums zu simulieren. Weiterhin wird der lunisolare Gezeitenantrieb in das Ozeanmodell MPIOM integriert, um – zum ersten Mal – die Effekte von Gezeitendynamik auf den Ozean und die Atmosphäre in einem paläo- klimatologischen Kontext zu untersuchen. Die Simulationen des frühen Eozäns und des Albiums zeigen Feedbackmechanismen zwischen Seeeis und dem Wärmefluss vom Ozean in die Atmosphäre, welche die meridionalen Temperaturgradienten reduzieren. Das Gezeitensystem hängt nicht nur von dem lunisolaren Antrieb ab, sondern wird auch von den geometrischen Resonanzbedingungen im Ozean beeinflusst, welche sich auf geologischen Zeitskalen verändern. Die Gezeitensysteme und der Einfluss der Gezeiten auf den Ozeanunterscheiden sich daher für die vorindustrielle Periode, das frühe Eozän und das Albium. Einflüsse des Gezeitenantriebes beinhalten einen lokalen Anstieg der Jahresmitteloberflächentemperatur um bis zu 4°C in dem vorindustriellen Weddell-Meer, eine Verdopplung der Geschwindigkeiten in einem Großteil des tiefen Ozeans während des frühen Eozäns und eine Modifikation des Transports der meridionalen Umwälzzirkulation im frühen Eozän und dem Albium um mehr als 20%. Gezeiten beeinflussen multi-dekadische mittlere Geschwindigkeiten im mittleren und tiefen Ozean, die ozeanische Temperaturverteilung, die meridionale Umwälzzirkulation und den Wärmefluss vom Ozean in die Atmosphäre lokal im Bereich von 10% bis 200%. Der Einfluss von ozeanischen Gezeiten auf das Klimasystem ist daher relevant für Klimasimulationen der Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Kommende Klimaforschung sollte daher den Einfluss von ozeanischen Gezeiten auf das Klimasystem betrachten.