[論文レビュー] New Physics-Based Early Warning Signal shows AMOC is on Tipping Course

René M. van Westen, Michael Kliphuis+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2023

Ecosystem dynamics and resilience被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、最先端気候モデル（CESM）で初めてのアトランティック・メリジアン・オーバーラップ・セルキュレーション（AMOC）のトゥーリングイベントをシミュレートし、34°SにおけるAMOCに起因する淡水輸送の最小値という、新たな物理的根拠に基づく早期警戒信号を同定した。観測データは、現在のAMOCがすでにトゥーリングに近づいていることを示唆しており、分析窓の選択に敏感な古典的統計指標とは対照的に、より信頼性の高い代替指標を提供する。

ABSTRACT

One of the most prominent climate tipping elements is the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), which can potentially collapse due to the input of fresh water in the North Atlantic. Although AMOC collapses have been induced in state-of-the-art Global Climate Models (GCMs) by strong freshwater forcing, an AMOC tipping event has so far not been found. Here, we show results of the first AMOC tipping event in such a GCM, the Community Earth System Model, including the large climate impacts of the associated AMOC collapse. Using these results, we develop a new physics-based and observable early warning signal of AMOC tipping: the minimum of the AMOC induced freshwater transport at the southern boundary of the Atlantic. Available observational and reanalysis data indicate that the present-day AMOC is on route to tipping. The new early warning signal is a useful alternative to classical statistical ones which, when applied to our simulated AMOC tipping event, turn out to be sensitive to the analysed time interval before tipping.

研究の動機と目的

• 現実的で徐々に増加する淡水フラックスによる境界条件の下で、最先端の気候モデル（CESM1.0.5）においてAMOCのトゥーリングイベントをシミュレートすること。
• 古典的指標が抱える統計的仮定や感度に左右されない、物理的根拠に基づく観測可能な早期警戒信号を特定すること。
• 現在の観測データおよび再解析データが、AMOCがトゥーリングポイントに近づいているかどうかを評価すること。
• 淡水フラックスに対するAMOCの応答を定量化し、崩壊が発生する臨界閾値を同定すること。
• 背景気候状態や強制力の詳細に依存しない、モデルに依存しない早期警戒信号を提供すること。

提案手法

• 北アトランティック（20°N–50°N）における淡水フラックス異常を線形に増加させるホーディング実験を、CESM1.0.5モデルで実施。モデル年2,200年までに3 × 10⁻⁴ Sv yr⁻¹の増加率で、0.66 Svに達する。
• グローバルな塩分予算を保存するため、海洋表面のその他の領域に塩分補償を適用。
• 方程式（2）を用いて、上層1,000 mの26°Nにおける緯向輸送としてAMOC強度を定義。
• 方程式（1a）を用いて、26°Nにおける緯向速度と塩分異常（ゾナル平均を基準）に基づき、34°Sにおけるオーバーラップ誘導淡水輸送（$F_{\mathrm{ovS}}$）を計算。
• $F_{\mathrm{ovS}}$時系列を平滑化するため、$n \geq 35$年平均を用いた3次スプライン補間を行い、微分のゼロクロスを用いて最小値を推定。
• シミュレートされたトゥーリングダイナミクスを用いて早期警戒信号を検証し、古典的指標と比較することで、その頑健性を評価。

Figure 1: AMOC collapse. (a): The AMOC strength at 1,000 m and 26 ∘ N, where the yellow shading indicates observed ranges ( ?, ? ). The cyan-coloured lines indicate the magnitude of $F_{H}$ . Inset: The hosing experiment where fresh water is added to the ocean surface between 20 ∘ N – 50 ∘ N in the

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的でゆっくりと増加する淡水フラックス条件下で、最先端のグローバル気候モデル（CESM）においてAMOCのトゥーリング点を引き起こすことができるか？
• RQ2 34°SにおけるAMOCに起因する淡水輸送の最小値が、AMOC崩壊の信頼性の高い物理的根拠に基づく早期警戒信号として有効であるか？
• RQ3 古典的統計指標（分散や自己相関）と比較して、この新しい早期警戒信号は信頼性と感度の面で優れているか？
• RQ4 観測データおよび再解析データに基づくと、現在のAMOCはすでにトゥーリングに近づいていると見なせるか？
• RQ5 結果がモデルバイアスや特定の強制力の詳細に依存する程度はどの程度か。また、背景気候状態に依存せずにこの信号を適用可能か？

主な発見

• 本研究では、最先端のGCM（CESM1.0.5）で初めてのAMOCトゥーリングイベントをシミュレートした。淡水フラックスの徐々な増加に伴い、1,750年後に急激に崩壊が発生した。
• AMOC強度は、モデル年1,750年から1,850年の100年間に約10 Svから2 Svに低下し、モデル年2,000年までに循環と熱輸送が75％減少した。
• 本研究で特定した新しい早期警戒信号、すなわち34°SにおけるAMOCに起因する淡水輸送（$F_{\mathrm{ovS}}$）の最小値は、崩壊の直前を示す頑健で物理的根拠に基づく指標であることが判明した。
• 観測データおよび再解析データ（GLORYS12V1, SODA3.15.2, ORAS5, ORA-20C, ECCO-V4r4）は、現在のAMOCがすでにトゥーリングへの軌道に乗っていることを示しており、シミュレートされた信号と整合的である。
• 古典的統計指標とは異なり、この新しい信号は分析窓の選択に敏感ではなく、トゥーリングの直前における分析期間の選択に高い感度を示す古典的指標とは対照的である。
• 本シミュレーションにおけるAMOC崩壊は、強い強制力への直接的応答ではなく、内部フィードバックによって引き起こされており、中程度の複雑性を持つ地球システムモデルと同様の真のトゥーリングポイント挙動を示している。

Figure 2: Climograph for different regions. The climograph for 6 different regions (spatial average over the $10^{\circ}\times 10^{\circ}$ boxes), where the bars indicate the monthly precipitation and the curves the monthly temperatures. The climograph is determined over model years 1 – 50 (red bars