Sluttrapport til NFR, ProClim 2003-2007

Forskningsprosjektet ’Polar Ocean Climate Processes’  har fokusert på viktige klima-prosesser i polare og omkringliggende hav.  ProClim har økt vår forståelse av sirkulasjon og dannelse av vannmasser, konveksjon i åpent hav, tilsetting av salt fra isfrysing og blandingsprosesser.

Arbeidspakke 1 Blanding og nedsynkning i dyphavet 

Golfstrømmens forlengelse inn i De nordiske hav er en viktig bidragsyter til det milde klimaet i våre områder. Når vannmassene har avgitt sin varme til atmosfæren, synker de og returnerer fra De nordiske hav til Atlanterhavet som dypvann, og slutter dermed Atlanterhavets storstilte sirkulasjon med den varme Golfstrømmen nordover i overflaten og en kald returstrømm sydover i dypet.

Et utgangspunkt for ProClim var  Grønlandshavets rolle i overnevnte og at det er to virkemåter for den dype blandingen av vannmasser der. Den ene er blanding innenfor et fåtall små virvler (ca 10km diameter og 2000m dype), såkalte ”Submesoscale Coherent Vortices” (SCV). Den andre er den "tradisjonelle" storskala blandingen i det sentrale Grønladshavet. Dette bildet er blitt korrigert etter hvert som prosjektet har gått framover. Selv om det ikke har vært observert storskala blanding ned til bunnen siden 1970-tallet, har det med få unntak vært blanding ned til 2000 m dyp hver vinter siden. SCVene virker å være en detalj i dette da kjernen i dem består av de samme "ventilerte" vannmassene som er resultatet av blandingen på stor skala. Og ser en isolert på ventilasjonen innenfor de observerte virvlene er den meget beskjeden i forhold til den totale blandingen i Grønlandshavet. 

Et viktig del av prosjektet har vært et helhetlig perspektiv som også inkluderer Arktis. Analytiske sirkulasjonsmodeller basert på fundamental dynamikk er utviklet. Når en kombinerer disse med bunntopografien, og klimatiske vinder og vannmasser i De nordiske hav og Arktis, beskrives den samlete sirkulasjonen, og ikke minst utvekslingen bassengene i mellom gjennom Framstredet, med stor grad av realisme.

Omdannelsen av Golfstrømmens forlengelse til Atlantisk dypvann skjer både grunnet frigjørelsen av varme til atmosfæren og ved innblanding av kaldere vannmasser fra det indre av De nordiske hav. Dette har vært studert i prosjektet både ved bruk av numeriske havmodeller og observasjonsdata tilbake til 1950. Sistnevnte viser at dypvannets egenskaper varierer i takt med endringer i den varme innstrømningen til De nordiske hav. En rådende forståelse har vært at variasjoner i det atlantiske dypvannet styres av endringer i de indre vannmassene, og da hovedsaklig Grønlandshavet. Dette støttes ikke av analysen av observasjonsdata. Dette har direkte relevans for hvilke havområder og prosesser som bør overvåkes for å kunne varsle en eventuell svekkelse av Golfstrømsystemet som en følge av de pågående klimaendringene.

Arbeidspakke 2 Dannelse av vannmasser på kontinentalsokler

Feltarbeid i Storfjorden på Svalbard har vært meget sentralt, og må ansees å være vellykket på flere måter. Det har også vært store vanskeligheter og utfordringer i denne originale måten å drive helikopter/hytte/lettbåt/snøscooter basert feltarbeid på.

Arbeidet har resultert i unike målinger av is typene i et område i Arktisk der is frysingen er spesielt stor, nivå av underkjøling under frysprosessene, og resultat av saltutløsningen i fryse prosessene på vannkolonnen. Disse målingene angir starten på dannelsen av det ekstra salte vannet som dannes på flere av soklene i Arktis, men ikke har vært direkte observert tidligere. Arbeidet i Storfjorden har resultert i et godt samarbeid internt i Norge og med flere internasjonale partnere. 

Målingene tatt på grunt vann i Storfjorden er med på å komplimentere data fra terskelen, og videre fra nedstrømmingen på sokkelskråningen sør for Svalbard. De har også blitt benyttet til å validere numeriske resultater fra modellkjøringer i Barentshavet. Modellene har vist seg å være gode nok til å beskrive de regionale trekk i sirkulasjonen og gjennomsnittlig drift av sjøis. En begrensning i de oseanografiske modellene som inkluderer sjø-is er at de trenger høy oppløsning på vindfeltet i området, og at dette generelt ikke er tilgjengelig. Når modellene drives av atmosfæriske modell resultat med høy oppløsning blir det gode resultater, men om det brukes re-analyser med grovere oppløsning (250 km) blir ofte ikke det regionale vindfeltet riktig. Vindfeltet i Barentshavet bestemmer i stor grad åpning av isdekket inne i Storfjorden, og hvor effektiv frysingen blir. 

Et koblet is-hav-atmosfæremodellsystem er bygget opp og dokumentert, med atmosfære og  havmodell-komponent, og et koblingssystem utviklet i samarbeid med Amerikanske forskere.  Under arbeidet med dette modellsystemet er det fremkommet mye ny kunnskap om vekselvirkningsprosesser mellom havet og atmosfæren.  Denne kunnskapen omfatter utveksling av bevegelsesmengde og energi mellom vind, bølger, strøm og turbulens i grensesjiktene over og under havoverflaten.

Arbeidspakke 3 Overstrømming og blandingsprosesser på kontinentalskråninger

I forbindelse med frysing av is i Barentshavet frigis det kaldt vann med høy saltholdighet. Dette tunge vannet strømmer ut av Barentshavet langs bunn, over terskler og nedover skråninger. Målsettingen i denne arbeidspakken har vært å øke forståelsen for de involverte prosessene. Fokus har vært på utstrømningen av tungt vann fra Storfjorden på Svalbard, men det har også vært aktivitet på utstrømning fra det vestlige Barentshav i Bjørnøyrenna. 

Storfjorden er godt egnet som et «laboratorium» for studier av prosesser knyttet til tungvannsdannelse, overstrømning og utsynkning. Overvåking av terskelen i Storfjorden fra 2004 til 2006 viser signifikant variabilitet i strømprofilene på alle oppløste skalaer (timer til mellomårlig). Derimot er estimatene  av volum transport relativt konstant i denne periden med en verdi på 70 000 m3/s, som stemmer overens med estimatet av tungt vann produsert i isfrie områder i Storfjorden (polynyaer). Feltstudier av hydrografi og turbulens sammen med overvåkning av strøm er blitt brukt til å teste og tune flere parametriseringer av vertikal­blanding. Prosjektet har bidratt til økt kunnskap på områder som eksterne drivkrefter på polyniaen, den initielle dannelsen av tungt vann, koblinger mellom polynyaen og terskelen samt anatomien til det utstrømmende bunnvannet.

Havmodellen ROMS er satt opp på et modellområde som dekker Svalbard, Storfjordrenna og sokkelskråningen vest for Svalbard. Modellen har brukt realistisk topografi, men idealisert hydrografi. Modelloppløsningen er en nautisk mil. Modellen beskriver overstrømningen over terskelen i Storfjorden og utstrømning for et år med typisk sesongsyklus. Modellresultatene er sammenlignet med observasjoner. Dette gir tiltro til modellens kvalitet, spesielt når det gjelder representasjonen av subgrid skala blanding. Medrivining av omliggende vann gjør at volumet av det utsynkende vannet femdobles på sin vei mot og over sokkelkanten. 

En idealisert to-dimensjonal model har vært satt opp for mer fin-skala modellering av overstrømnigen over terskelen i Storfjorden. Dette har vært gjort med MITgcm-modellen som inkluderer ikkehydrostatisk dynamikk, som er viktig på denne skalaen. To turbulens skjema for vertikal diffusivitet har vært testet. Vekselvirkninger mellom overstrømningen og de stratifiserte omgivelsene er undersøkt og sammenlignet med laboratorium eksperiment. Et manuskript fra denne aktiviteten er under utarbeidelse og vil inngå i Florian Geyers doktoravhandling.

Prosjektet finansierte også en bunnmontert akustisk strømmåler (ADCP) som målte utstrømningen av arktisk vann fra Barentshavet til Norskehavet i området sør for Bjørnøya. Her har det vært satt ut en ADCP i en trålsikker ramme for å måle transporten av arktisk vann i områder hvor det er stor fiskeaktivitet. Dette var svært vellykket for periodene 2003-4, og 2004-5. Ved utsetting av rigg høsten 2005 røk en wire slik at instrumentet ble liggende opp-ned. Forsøk på å hente opp instumentet har mislykkes pga dårlig vær og manglende utstyr. Resultatene fra de to gode årene viser i hovedtrekk liten middelstrøm i overflate og en økende utstrøming med økende dyp langs topografien (mot Norskehavet). Målingene er kombinert med andre observasjoner for å undersøke samtidige varisjoner i hele Fugløya-Bjørnøya snittet. Det arbeides med å kartlegge langtidsvarisjon av  utstrømmende vann i Bjørnøyrenna til Norskehavet. Ulike forklaringer på denne variasjonen er undersøkt. Så langt viser analysen en klar sammenheng mellom varisjoner i egenskapene til det Atantiske vannet som strømmer inn  i Barentshavet og variasjonene i det utstrømmende vann i Bjørnøyrenna, med en tidsforsinkelse på opptil et år.

Arbeidspakke 4 Integrering og syntese:

Å veie betydningen av de ulike prosessene i ventileringen og omveltningen av havene er av stor viktighet for å kunne bedømme effekter av evt. fremtidige endringer i drivkreftene på systemet. Gjennom grundig litteraturstudie, bruk av modeller og innsamlede observasjoner, er det i  syntesen av prosjektets resultater, funnet at det volumetriske bidraget til ventilering av overflatevann fra tungt salt vann dannet ved isfrysing kan regnes å være omtrent dobbelt så stort som bidraget fra konveksjonen i Grønlandshavsgyren. Videre, Atlanterhavsstrømmen gjennom Norskehavet som allerede ved Svalbard er tungt nok til å regnes som en dypvannskomponent, har et volum som overgår begge de forrige til sammen. Sistnevnte kan regnes som omdannet ved konveksjon i åpent hav, men av en helt annen karakter enn den dype konveksjonen i Grønlandshavet. Dette betyr at evt. endringer i innstrømmende Atlantisk vann og lokale variasjoner av avkjøling i ulike deler av de Nordiske hav (f.eks. Barentshavet) kan være vikitgere for den Atlantiske omveltning enn konveksjonen i Grønlandshavet.

En bok gitt ut med flere artikler fra prosjektet har gitt en introduksjon og en oversikt over modelleringsarbeid i de Nordiske hav. Modellen kjørt i Bergen viser at innstrømningen av Atlanterhavsvann i farvannene rundt Færøyene har tydelig sesongsignal, men at fase og utslag har endret seg de siste 40 årene. Variabiliteten i salt og varmetransporten er kontrollert av volum fluksene, og fundamentale forandringer i transporten er ikke observert, eller forventet. Salt og temperatur forandringer peker derfor på forandringer i sirkulasjonen, og hvem av disse som bærer informasjonen varierer med deres innflytelse på tettheten i området.  

Variabiliteten innstrømning av Atlantisk vann til De nordiske hav er sterkt avhengig av den storskala vindpåvirkningen. Dette er funnet ved modelleksperimenter kjørt med ulik styrke på vindfeltet. Så mye som en tredjedel av den modellerte innstrømningen, kan tilskrives vindpådrivet. Modellresultatene viser også at de siste tiårs forflytning og økning i vindpådrivet, representert ved Den nordatlantiske oscillasjon (NAO), kan ha medført en økning i mengden Atlanterhavsvann i denne strømmens kystnære gren. Det er dennegren som bidrar med Atlantisk vann til Barentshavet.

For Barentshavet er det også vist at det lokale vindfeltet har stor betydning for mengden Atlanterhavsvann som strømmer inn. Det er også en klar sammenheng mellom variasjoner i egenskapene til det Atantiske vannet og variasjonene i det utstrømmende vannet i Bjørnøyrenna, med en tidsforsinkelse på < 1 år.