• Lohmann, G., 1995: Stability of the thermohaline circulation in analytical and numerical models,

    Ph. D. Dissertation, University of Bremen (Germany), 128 pp.

    [Reports on Polar Research 200, Alfred Wegener Institute Bremerhaven].

    ISSN 0176-5027, Vertrieb: Buchhandlung K. Kamloth, Postfach 104330, 28203 Bremen, Germany

    available through Alfred Wegener Institute
     
     
     
     

  • Abstract

    Freshening of high latitude surface water in the North Atlantic can change the poleward oceanic transport of heat and salt with drastic effects on the global climate. The sensitivity of the thermohaline circulation is analyzed with respect to these perturbations. The study is based on coupled ocean-atmosphere (-sea ice) models with different levels of complexity in idealized geometries of the Atlantic ocean.

    An atmospheric energy balance model (EBM) is constructed which can predict the heat and fresh water fluxes at the surface. The response of the EBM to sea surface temperature anomalies and radiative forcing is consistent with complex atmospheric models.

    For a range of coupled models it is shown that the atmospheric transports affect the stability of the thermohaline circulation (THC). Coupled atmosphere EBM-ocean circulation model experiments show that the atmospheric heat transport is an important destabilizing effect while changes in fresh water flux are of minor importance for the THC. To understand the sensitivity of the THC for a range of atmospheric boundary conditions, a box model is designed, as it is considered the most simple atmosphere-ocean system. The analytical investigation shows how the stability of the THC is affected by the representation of the atmospheric transport of heat and moisture and the basic state.

    Depending on the meridional gradient in salinity, self-sustained oscillations do appear in a coupled atmosphere EBM-ocean circulation model caused by strong horizontal salinity gradients. It was found the the oscillatory state is more sensitive to perturbations than basic states with moderate meridional salinity gradients which is consistent with the analytical model.

    The sensitivity and feedback mechanisms affecting the THC are examined in a coupled ocean-atmosphere-sea ice system. The EBM is coupled with an ocean circulation model which includes a thermodynamic sea ice model. Due to a perturbation in high latitude salinity, the THC evolves into an other steady state with decreased atmospheric temperature, more sea ice, enhanced atmospheric heat transport, and decreased oceanic heat transport. The formation of intermediate water and cessation of deep convection in the northern North Atlantic is consistent with paleoclimatic findings of well documented climate shifts caused by a fresh water release.


     
     

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  • Zusammenfassung

    St?rungen im Oberfl?chensalzgehalt des Nordatlantiks k?nnen eine drastische Ver?nderung des gro?skaligen ozeanischen W?rmetransports und damit des globalen Klimas zur Folge haben. Die Stabilit?t der ozeanischen thermohalinen Zirkulation im Hinblick auf diese St?rungen wird mit Hilfe von gekoppelten Ozean-Atmosph?re (-Meereis) Modellen unterschiedlicher Komplexit?t untersucht.

    Als atmosph?risches Modell dient hierzu ein Energiebilanzmodell (EBM), das die S??wasser- und W?rmefl?sse an der Ozeanoberseite vorraussagen kann. Es zeigt sich, da? dieses Modell eine geeignete obere Randbedingung f?r den Ozean darstellt. Ein gekoppeltes atmosph?risches EBM-ozeanisches Zirkulationsmodell zeigt, da? der atmosp?rische W?rmetransport eine wichtige destabilisierende Rolle f?r die Zirkulation darstellt, w?hrend die anomalen S??wasserfl?sse von untergeordneter Bedeutung f?r dir Zirkulation sind. Um die Sensitivit?t der thermohalinen Zirkulation f?r eine ganze Reihe von Randbedingungen zu verstehen, ist ein Boxmodell entwickelt worden, das als einfachstes gekoppelte System angesehen werden kann. Die lineare Stabilit?tsanalyse zeigt, da? unter Ber?cksichtigung der atmosph?rischen Transportprozesse die Sensitivit?t der Zirkulation gegen?ber St?rungen neu beurteilt werden mu?.

    Sich selbsterhaltende Oszillationen werden in einem atmosph?rischen EBM-ozeanischen Zirkulationsmodell beobachtet, in dem der meridionale Salzgradient relativ stark ist. Es zeigt sich, da? dieser Zustand wesentlich empfindlicher auf St?rungen reagiert als Zust?nde mit kleinerem meridionalen Salzgehaltsgradienten, was auch mit dem analytischen Modell im Einklang steht.

    Die R?ckkopplungseffekte im gekoppelten Atmosph?re-Ozean-Meereissystem werden mit Hilfe eines gekoppelten Modells, das ein thermodynamisches Meereismodell, obiges EBM und ein ozeanisches Zirkulationsmodell enth?lt, herausgearbeitet. Es zeigt sich, da? durch eine St?rung im Oberfl?chensalzgehalt ein anderer Zustand des Modells entsteht, in dem die Atmosph?re k?lter, die Meereisbedeckung und der atmosph?rische W?rmetransport zugenommen haben, hingegen der nordw?rtige ozeanische W?rmetransport und die Konvektionstiefe des Nordatlantischen Tiefenwassers reduziert sind. Dieser Zustand ist konsistent mit Zust?nden, die nach dokumentierten Klimaver?nderungen durch S??wassereintr?ge gefunden wurden.