Vannmasser og polarfront i Barentshavet

Transkript

1 Vannmasser og polarfront i Barentshavet Bjørn Ådlandsvik Havforskningsinstituttet Postboks 18 Nordnes, 5817 Bergen e-post: bjorn@imr.no 15. desember 2009

2 Sammendrag Fordeling av vannmasser i Barentshavet og spesielt posisjonen til polarfronten er presentert. Dette er basert på observasjoner og en modellbasert nedskalering av en global klimamodell. Hovedspørsmålet dreier seg om på stabiliteten av polarfronten, hva kan skje med den i et framtidig klima? Resultatene fra observasjonene bekrefter den vanlige oppfatningen. Posisjonen til fronten i vest er stabil, knyttet til topografien mens den er mer variabel i øst. Dette åpner for en gradvis forskyvning av fronten i det østlige Barentshav. Modellscenariet bekrefter det generelle bildet over, men antyder også at atlantiske vannmasser kan overta på Sentralbanken i midten av århundret, slik at fronten på sørvestflanken kan forsvinne. På lengre sikt er det mulig at det arktiske vannet med tilhørende front forsvinner fra Svalbardbanken.

3 Introduksjon De fysisk oseanografiske forhold i Barentshavet er beskrevet bl.a. av Loeng (1991) og Ingvaldsen & Loeng (2009). De viktigste vannmassene i Barentshavet er det relativt varme og salte atlanterhavsvannet som strømmer inn i sør-vest og det kalde og ferskere arktiske vannet. Vannmassene møtes i en front, kalt polarfronten. I vest er polarfronten knyttet til topografien i sørskråningen til Svalbardbanken. Sentralt i Barentshavet er fronten knyttet til topografien sørvest på Storbanken og Sentralbanken. Lengre øst er fronten svakere og mer variabel. Polarfronten er viktig for økosystemet i Barentshavet, fordi den gir en grense for utbredelsen til en rekke arter. Spørsmålet om hva som kan skje med fronten i framtiden er derfor interessant. I øst kan en tenke gradvise endringer. Den sterke koblingen til topografien i vest gjør slike gradvise endringer mindre sannsynlig. En mulighet er at den topografiske føringen så sterk at posisjonen blir opprettholdt. En annen mulighet er at endringene er så store at fronten får en totalt annen posisjon. Variabiliteten av polarfronten i en modellkjøring med framtidsprojeksjon er studert av Ellingsen et al. (2008). De definerer fronten ved 0 C-isotermen i 50 meters dyp. Denne studien gir liten endring av fronten i det vestlige Barentshavet og en forskyvning mot nord i øst. Her defineres fronten ved sterk temperaturgradient. I første omgang undersøkes historisk data for å studere fronten posisjon på sensommeren (august september oktober). Spesielt undersøkes om det er forskjell på varme og kalde år. Deretter betraktes frontsituasjonen i en marin nedskalering av en global klimamodell. 1

4 Kapittel 1 Temperaturatlas Det er tatt utgangspunkt i et temperaturatlas for Barentshavet, produsert av Geir Ottersen og Bjørn Ådlandsvik ved Havforskningsinstituttet. Området for atlaset er fra 6 til grader øst og grader nord, som vist i figur 1.1. Oppløsning er en halv grad vest øst og 12 minutter sør nord. Dette gir gridceller hvor størrelsen varierer fra km i sør til 8 22 km i nord. Atlaset dekker perioden med kvartalsvis oppløsning i tid. Kvartalene er litt forskjøvet, februar mars april, mai juni juli, august september oktober og november desember januar. I dypet er det verdier hver femte meter ned til bunn eller 500 m. Atlaset er produsert ved interpolasjon av alle CTD-observasjoner fra Havforskningsinstituttet innenfor området i det aktuelle kvartal. Interpolasjonen er gjort med Geir Ottersens MODGRID programvare (Ottersen, 1991) basert på CONMAP (Taylor, 19), en kombinasjon av spline og laplace interpolasjon. Datadekningen er ujamn. Best dekning er det i kvartalet august september oktober (ASO). Dette fordi Barentshavet er stort sett isfritt i denne perioden og Havforskningsinstituttet har typisk dekket området med flere skip. Randi Ingvaldsen (pers. komm.) har oppdatert temperaturatlaset for utvalgte dyp for denne perioden, slik at vi får en tidsserie fram til Den blå kurven i figur 1.2 viser datadekningen i det utvidete temperaturatlaset for kvartalet august september oktober, Spesielt ser vi at dekningen siden 1995 er mer variabel, med noen år med svært dårlig dekning. På grunn av variabel og tildels dårlig datadekning er en boks i det vestlige Barentshavet valgt ut. Boksen er gitt ved E, 77 N. Datadekningen 2

5 78 80 Svalbardbanken Storbanken Bjørnøyrenna Hopendjupet Sentralbanken Depth [m] Figur 1.1: Område for temperaturatlaset med bunntopografi. Den svarte rammen viser et delområde E, 77 N med bedre datadekning 3

6 percent whole domain subdomain year Figur 1.2: Datadekning i kvartalet august september oktober gitt som antall gridceller med data som prosent av antall sjøceller. Den blå kurven angir datadekning i hele området, mens den grønne gir datadekningen i det utvalgte delområdet 4

7 her er jamt god, som vist med den grønne kurven i figur 1.2. Den geografiske fordelingen av observasjonene er vist i figur 1.3. For hver gridcelle vises antall år med data i temperaturatlaset i kvartalet august oktober. Den totale lengden på tidsserien er 38 år. Klimatologisk er området i hovedsak godt dekket, men det er mangler i mer perifere områder mot nord og øst Figur 1.3: Geografisk datadekning, antall år med verdi i hver gridcelle. Svarte konturlinjer angir 200 og 500 meters dybdekoter. Et arbeid er i gang med å oppdatere temperaturatlaset fram til i dag og med mer data. Det nye atlaset vil også inkludere saltholdighet. Metodikken er også forbedret, med Data-Interpolating Variational Analysis (DIVA) fra Universitetet i Liège, Dessverre var ikke det nye datasett ferdig tidsnok for denne rapporten. 5

8 Klimatologi Basert på temperaturatlaset og fortsettelsen fra Ingvaldsen er det regnet ut en klimatologisk middel for 50 meters dyp for høstsesongen (august september oktober). Denne klimatologien er vist i figur 1.4. Figuren viser relativt varmt atlantisk vann i sør og vest og kaldt arktisk vann i nord og øst. Vannmassene skilles av en front med relativ sterk temperaturgradient. Dette er polarfronten. På grunn av midling over flere er fronten svakere enn observert for enkeltår. Fordelingen av vannmassene er klart påvirket av topografien, med atlantisk vann i dypere områder og arktisk vann over Svalbardbanken, Storbanken og Sentralbanken Figur 1.4: Temperaturklimatologi i 50 meters dyp for august september oktober 6

9 Standardavviket i temperatur i 50 meter for denne perioden er gitt i figur 1.5. Det er liten variabilitet i det arktiske vannet hvor frysepunktet setter en nedre temperaturgrense. Sentralt i det atlantiske vannet er også variabiliteten relativt lav. Polarfrontområdet identifiseres som et belte med høyere variabilitet. Dette er gridceller som noen år har atlantiske vannmasser og andre år arktiske. Spesielt i øst er dette beltet bredt og standardavviket høyt. Dette viser at posisjonen til polarfronten i dette området varierer mye i løpet av perioden Figur 1.5: Standardavvik til temperaturklimatologien fra figur 1.4 Tidsutviklingen av høsttemperatur i 50 meter midlet over boksen er vist i figur 1.6. Middeltemperaturen er 3,56 C med et standardavvik på 0,59 C. Maksimum er i 1983 med 4,62 C og minimum i 1996 med 2,44 C. Som sammenligning vises også tidserien av temperatur i Kolasnittet midlet over de samme månedene. Kolasnittet ligger i det atlantiske vannet og følger lengdegraden 33,5 Ø fra,5 N til,5 N. Temperaturen er midlet over de øvre 200 m. Data kommer fra Pinro i Russland (Bochkov, 1982; Tereshchenko, 1996). 7

10 temp [degc] year Figur 1.6: Blå kurve viser tidsserie av temperatur i 50 meter for august september oktober, midlet over delområdet. Heltrukken svart linje gir middeltemperaturen mens de prikkede linjene gir pluss/minus ett standardavvik. Rød kurve gir tidsserie av temperatur i Kola-snittet, midlet over de samme månedene. Delområdet er lengre nord og har innslag av arktisk vann og er derfor kaldere enn Kolasnittet. Den mellomårlige variasjonen i høsttemperaturene følger i hovedsak samme mønster, spesielt fram mot år Etter 2000 er det en sterkere oppvarming i Kolasnittet enn i delområdet. 8

11 Temperaturfordeling For å se nærmere på fordelingen av vannmassene brukes her arealbaserte betraktninger i 50 m dyp. Figur 1.7 viser den klimatologiske temperaturfordelingen for høstperioden august oktober. Venstre panel viser hele temperaturatlasområdet. Det største arealet har temperaturer under -1 C. Deretter et det et mindre område med temperaturer mellom 0 og 2 grader, før et bredere maksimum mellom 4 8 grader. Det brede maksimumet viser et stort areal med atlantisk vann, det smalere kalde maksimumet angir et noe mindre areal med arktisk vann og minimumet i mellom gir det mindre arealet hvor man finner polarfronten. Minimum, rundt 1 C, kan være en naturlig proxy for polarfronten, men forskjellen fra 0 C som hos Ellingsen et al. (2008) er liten. Variabiliteten av arealene, gitt ved størrelsen på standardavviket, følger i hovedsak størrelsen på området. Det kaldeste temperaturområdet viser imidlertid en ekstra stor variasjonsbredde i areal. Tilsvarende figur fra delområdet i figur 1.1 er gitt i det høyre panelet. Dette viser en skjev fordeling med en topp på 5 6 grader og en lang kald hale. Det store innslaget av arktisk vann mangler i dette området. Det er også vanskeligere å velge ut en temperaturverdi som proxy for polarfronten. Tidsutviklingen i temperaturfordelingen er vist i figur 1.8. Panelet til venstre viser hele området. Her har det kaldeste vannet stor utbredelse fra 1977 til og med Deretter blir utbredelsen gradvis mindre, men med noen enkeltår som 1996 med mye kaldt vann. Den varmere toppen finnes i det atlantiske vannet. Toppen varierer en del, fra å mangle i 1971 blir den gradvis varmere mot 1983 og nye perioder med mye varmt vann i første delen av 90-årene og mot slutten av serien. I delområdet har det varme atlantiske vannet relativ større utbredelse, med maksimum vanligvis mellom 5 7 grader. Det er en tydelig trend med forskyvning av toppen mot varmere vann når vi passerer 1990-tallet. En sekundær topp med kaldt vann forekommer en del år. Spesielt 1996 og

12 area [1000*km^2] temperature (a) Hele området area [1000*km^2] temperature (b) Delområdet Figur 1.7: Fordeling av temperatur i 50 m i august september oktober, klimatologisk areal som funksjon av temperaturintervall. Feil-stolpene viser et standardavvik har betydelig innslag av vann under -1 C. Dette gjenspeiles i figur 1.6 hvor dette er de to kaldeste årene midlet over boksen. Året 1996 er også kald i det atlantiske vannet. En annen måte å presentere den samme informasjonen er gitt i figur 1.9. Den viser tidsutviklingen av arealandelen med temperatur høyere enn angitt verdi. Avstanden mellom kurvene svarer til arealet i forrige figur. Her vises bare temperaturfordelingen i delområdet. Spesielt synlig er den kalde perioden på slutten av -tallet, omtrent uten vann over 6 grader, samt 1983 som står ut som et enkelt år med varm forskyvning av hele temperaturfordelingen. De to ovennevnte år 1996 og 2003 står fram som enkeltår med kalde forskyvninger. Størst variabilitet er det i tidsserien med areal varmere enn 6 C. Serien med areal varmere enn 4 C er best korrelert med middeltemperaturen i boksen (blå kurve i figur 1.6), med en korrelasjonskoeffisient på

13 year year temperature (a) Hele området temperature (b) Delområdet 0 Figur 1.8: Fordeling av temperatur i 50 m i august september oktober, areal som funksjon av temperatur og år. Enhet er 1000 km area fraction year Figur 1.9: Tidsserier av areal i boksen med temperatur høyere en angitt verdi i grader Celsius. Arealet angitt som andel av totalt areal i boksen 11

14 Kapittel 2 Temperaturgradient Det mest opplagte kriteriet for posisjon av polarfront er normen til temperaturgradienten. Middelet for august september oktober i 50 meter dyp er vist i figur 2.1. Siden dette er basert på en klimatologi er fronten svakere og mer diffus enn i et øyeblikksbilde. Figuren viser en relativ sterk gradient i det vestlige og sentrale Barentshav med høyest verdier i skråningenene til Svalbardbanken, Storbanken og Sentralbanken. I øst blir fronten svakere og bredere og splittes opp øst for Ø. Vi ser at 1-grads isotermen følger fronten i vest, mens de østlige delfrontene delvis følger ulike isotermer. Det høyre panelet zoomer inn på det vestlige Barentshavet. Fronten følger i stor grad topografien i dette området, nærmere bestemt 200 m isobathen. Den sterkeste fronten finnes i sørskråningen til Svalbardbanken, med temperatur på 2-3 grader. Det neste sterke frontområdet finnes øst av Hopen og med temperatur rundt 1 grad. Dette området strekker seg østover med nytt lokalt maksimum på sørflanken av Storbanken. Deretter hopper fronten over til vest og sørsiden av Sentralbaken med en nytt maksimum, her med varmere vann rundt 2 grader. For å se på eventuelle endringer i frontens posisjon mellom varme og kalde år, er det tatt utgangspunkt i tidsserien av midlere temperatur i delområdet (blå kurve i figur 1.6). Serien har sju kalde år 1971, 1977, 1978, 1979, 1981, 1996 og 2003 som er mer enn ett standardavvik under langtidsmiddelet. Tilsvarende er det sju varme år 1973, 1983, 1989, 1992, 1994, 2006 og 2007 som ligger mer enn ett standardavvik over middelet. Venstre panel i figur 2.2 er en sammensatt middel av disse kalde årene enn ett standardavvik under normalen, mens høyre panel er sammensatt av de varme årene. 12

15 (a) Hele området (b) Delområdet Figur 2.1: Fargede blå fylte konturer gir temperaturgradient i C/km. Grønne kurver viser bunntopografien, med isonivåer som i figur 1.1. Tykk rød kurve er 1 grads isoterm, mens de tynne røde kurvene er -1,0,2,3 graders isotermer. Beregnet på grunnlag av klimatologi for august september oktober i 50 m dyp I det vestlige Barentshav er det liten endring i posisjonen til fronten langs skråningene av Svalbardbanken og Sentralbanken. I Hopendjupet opp mot Storbanken er åpningen mellom frontene bredere i de varme årene. Dette gir plass til mer atlantisk vann i området. Øst for sentralbanken er det større forskjeller hvor fronten trekker seg nordover i de varme årene, og sørover i de kalde årene. Spesielt ved sentralbanken er frontområdet varmere i de varme årene. Disse årene har også en mer markert front mot det sørøstlige Barentshav. 13

16 (a) Sju kalde år (b) Sju varme år Figur 2.2: Observert middelfrontposisjon i de sju kalde og varme år. De røde konturene er 0 og 2 graders isotermer 14

17 Kapittel 3 Modellert polarfront Den regionale havmodellen ROMS (Regional Ocean Model System, http: //myroms.org) er blitt brukt til å nedskalere resultater fra den globale havmodellen GISS AOM fra NASA Goddard Institute for Space Studies. Dette er en av modellene fra den 4de assessment rapporten til IPCC som gjør det best med is i Barentshavet og sentrale polhavet (Overland & Wang, 2007). Kontrollkjøringen med nåværende klima har blitt validert (Melsom et al., 2009). Nåværende klima For nåværende klima er 20C3M kjøringen nedskalert for perioden September-klimatologien fra denne kjøringen er presentert i figur 3.1. Klimatologien er blitt resamplet til temperaturatlasgriddet for bedre sammenligning med atlaset. Figuren viser det atlantiske vannet som kommer inn fra sør-vest og arktisk vann fra nord og øst og samsvarer i hovedsak med tilsvarende bilde (figur 1.4) fra observasjonene. Den største forskjellen er at det varme atlanterhavsvannet får for kraftig avkjøling og blir dermed for kaldt i det østlige Barentshavet. Dette skjer fordi de atmosfæriske drivkreftene fra den globale modellen har for mye is i dette området. På samme måte som for temperaturatlaset er posisjonen til polarfronten indikert ved plott av normen til temperaturgradienten, figur 3.2. Gradientene er sterkere enn i temperaturatlaset, med verdier opp til 0.14 C/km. Modellen gjenskaper polarfrontens posisjon i skråningene til Svalbardbanken, Storbanken og Sentralbanken. Modellen skaper også fronter som ikke finnes i observasjonene. En kraftig front i øst mellom 35 og 40 Ø skyldes problemet 15

18 Figur 3.1: September klimatologi av nedskalert 50 m temperatur basert på perioden i GISS AOM 20C3M nevnt over med for kraftig avkjøling i det østlige Barentshavet med en kunstig front. En ekstra front på Svalbardbanken skyldes for mye atlantisk vann som kommer opp på banken fra nordvest, slik at det arktiske vannet finnes i en spiss kile. Framtidig klima September-midlet i scenariekjøring (NCAR GISS AOM A1B) er presentert i figur 3.3. Dette er middlet over perioden Dette scenariet viser liten endring av temperaturen i det vestlige Barentshav. En svak temperaturøkning koblet med en mindre svekkelse av innstrømningen av atlantisk vann gir omtrent uendret varmetransport til Barentshavet. Framtidsscenariet har mindre is i Barentshavet og får derfor en mer realistisk transport av varme østover i Barentshavet. Differanseplottet, figur 3.4, viser dermed en urealistisk oppvarming i øst, hvor kontrollkjøringen er dårlig pga. is. Utenfor dette 16

19 (a) Hele området (b) Delområdet Figur 3.2: Normen til gradienten av 20C3M modellklimatologien, temperatur i 50 m. De grønne linjene er bunnkoter, mens de røde linjene er området har modellen ganske stor oppvarming over sørlige deler av Sentralbanken. Kraftigst avkjøling finnes i områdene mellom Storbanken og henholdsvis Svalbardbanken og Sentralbanken. Ellers er det en svak oppvarming i det vestlige Barentshavet Polarfronten i dette scenariet er vist i figur 3.5. I øst er det store endringer fra kontrollkjøringen. Den kunstige fronten mellom vestlige og østlige Barentshav er forsvunnet, i tråd med at framtidsscenariet har et mer riktig isdekke. Fronten i øst har beveget seg nordover og er svekket. Oppvarmingen gjør at 1 graden i mindre grad er representativ for posisjonen til fronten. Figur 3.5(b) zoomer inn på det vestlige Barentshavet. Langs Svalbardbanken og mot Storbanken følger fronten mye posisjon fra kontrollkjøringen, men er noe svekket ved at vannet i skråningen er blitt varmere. Fronten vest og sør for Sentralbanken er mer tydelig svekket,med betydelig varmere vannmaser over banken. 17

20 Figur 3.3: September klimatologi av nedskalert 50 m temperatur basert på perioden i GISS AOM A1B 18

21 Figur 3.4: Differansen mellom framtidscenario i figur 3.3 og kontroll figur (a) Hele området (b) Delområdet Figur 3.5: Normen til gradienten av 20C3M modellklimatologien, temperatur i 50 m. De grønne linjene er bunnkoter, mens de røde linjene er 19

22 Kapittel 4 Oppsummering og diskusjon Polarfronten er kartlagt basert på observasjoner. Posisjonen i vest varierer lite og er knyttet til topografien i skråningene til bankene. Her er det liten forskjell mellom varme og kalde år. Lenger øst er fronten mer diffus og variabel. I varme år trenger atlanterhavsvannet lenger fram og fronten finnes lengre mot nord og øst. Nedskalering av en klimamodell gir en polarfront som samsvarer bra med observasjonene i kontrollkjøringen med dagens klima. I framtidsscenariet blir Barentshavet varmere og fronten i øst forskyves nord og østover som forventet. I vest opprettholdes fronten ved Svalbardbanken og Storbanken men svekkes ved Sentralbanken som oversvømmes av atlantisk vann. I modellen kommer det og atlantisk vann opp på Svalbardbanken fra nordvest slik at det volumet av arktisk vann på banken reduseres. Posisjonen til fronten i nedskaleringen fra Ellingsen et al. (2008) kan være litt vanskeligere å tolke siden den er basert på en temperaturskranke. Også her oversvømmes sentralbanken med atlantisk vann i varme år. Det arktiske vannet på Svalbardbanken begrenses også, ved at det ikke trenger så langt sør og vest på banken. Dette i motesetning til simuleringen her hvor vannet trenger sørvest mot Bjørnøya men i en smalere kile. Usikkerheten er stor når det gjelder framtiden til polarfronten. Et par mer eller mindre vellykkede nedskaleringer er et tynt grunnlag for å dra bastante slutninger. I øst viser både modeller og observasjoner muligheter for en gradvis forskyvning. Det svakeste området i vest er trolig området ved Sentralbanken. Her antyder modellene muligheten av at banken blir dekket med atlantisk vann og fronten i sørvest forsvinner. Scenariene går til midten av århundret. På lengre sikt er det tenkelig at det arktiske vannet kan for- 20

23 svinne fra Svalbardbanken. Fronten ved Storbanken er nok minst utsatt, den er stabil både i observasjoner og nedskaleringer. Takk til Dette arbeidet har vært finansiert med støtte fra NorACIA og forskningsrådsprosjektet FishExChange. 21

24 Bibliografi Bochkov, Yu.A Water temperature in the m layer in the Kola-Meridian in the Barents Sea, Sbornik Naucnykk Trudev PINRO, 46, Ellingsen, I.H., Dalpadado, P., Slagstad, D., & Loeng, H Impact of climatic change on the biological production in the Barents Sea. Climatic Change, 87, Ingvaldsen, R., & Loeng, H Physical oceanography. Chap. 2 of: Sakshaug, E., Johnsen, G., & Kovacs, K. (eds), Ecosystem Barents Sea. Tapir Academic Press, Trondheim. Loeng, H Features of the physical oceanographic conditions of the Barents Sea. Polar Res., 10, Melsom, A., Lien, V. S., & Budgell, W. P Using the Regional Ocean Modeling System (ROMS) to improve the ocean circulation from a GCM 20th century simulation. Ocean Dynamics, 59, Ottersen, G MODgrid, a Model Oriented Data grider. Tech. rept. 6/1991. Institute of Marine Research. 27 pp. Overland, J.E., & Wang, M Future regional Arctic sea ice declines. Geophys. Res. Lett., 34(L175). doi: /2007GL Taylor, J. 19. CONMAP: A computer program for contouring oceanographic data. Tech. rept. Tech. Note 12. Mar. Environ. Data Serv., Environ. Can. Tereshchenko, V.V Seasonal and year-to-year variations of temperature and salinity along the Kola meridian transect. ICES CM 1996/C:11. 22