[논문 리뷰] New Physics-Based Early Warning Signal shows AMOC is on Tipping Course

René M. van Westen, Michael Kliphuis외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 03.

Ecosystem dynamics and resilience인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 최신 기후 모델(CESM)에서 처음으로 시뮬레이션된 대서양 횡단순환류(AMOC)의 붕괴 이벤트를 제시하며, 34°S에서의 AMOC에 의해 유도되는 담수 수송의 최소값이라는 새로운 물리 기반의 조기 경고 신호를 규명하였다. 관측 데이터는 현재의 AMOC가 이미 붕괴 위험에 처해 있으며, 기존의 분석 창의 선택에 민감한 통계적 지표에 비해 더 신뢰할 수 있는 대안을 제공하고 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실제로 점진적으로 증가하는 담수 유입 조건 하에서 최신 기후 모델(CESM1.0.5)에서 AMOC 붕괴 이벤트를 시뮬레이션하는 것.
• 기존의 통계적 지표가 가지는 가정과 민감성 문제를 피하면서도 물리 기반의 관측 가능한 조기 경고 신호를 식별하는 것.
• 현재의 관측 및 재분석 자료가 AMOC가 붕괴점에 가까이 다가가고 있는지 평가하는 것.
• 담수 유입에 대한 AMOC의 반응을 정량화하고 붕괴가 발생하는 임계 조건을 규명하는 것.
• 배경 기후 상태나 강제 조건의 세부 사항에 영향을 받지 않는 모델 독립적인 강력한 조기 경고 신호를 제공하는 것.

제안 방법

• 북대서양(20°N–50°N)에서 선형적으로 증가하는 담수 유입 이상량을 갖는 하우징 실험을 CESM1.0.5 모델에서 수행하였으며, 모델 연도 2,200년까지 $3 \times 10^{-4}$ Sv yr⁻¹의 비율로 증가하여 최종적으로 0.66 Sv에 도달하였다.
• 전 세계 염분 예산을 유지하기 위해 해양 표면의 나머지 부분에 염도 보정을 적용하였다.
• 식별 (2)를 사용하여 26°N에서 상층 1,000m 이내의 수평체적 수송을 기반으로 AMOC 강도를 정의하였다.
• 식별 (1a)를 사용하여 34°S에서의 순환 유도 담수 수송($F_{\mathrm{ovS}}$)을 계산하였으며, 지역 평균 대비 수평 속도 및 염도 이상치를 기반으로 하였다.
• 시간 시계열 $F_{\mathrm{ovS}}$를 매끄럽게 하기 위해 $n \geq 35$년 평균을 사용한 세제곱 스퍼링 보간법을 적용하고, 도함수의 영점 교차를 통해 최소값을 추정하였다.
• 시뮬레이션된 붕괴 역학을 활용하여 조기 경고 신호의 타당성을 검증하였으며, 통계적 지표와의 비교를 통해 신뢰성과 탄력성을 평가하였다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제로 점진적으로 증가하는 담수 유입 조건 하에서 최신 기후 모델(CESM)에서 AMOC 붕괴점이 유도될 수 있는가?
• RQ2 34°S에서의 AMOC에 의해 유도되는 담수 수송의 최소값이 AMOC 붕괴에 대한 신뢰할 수 있는 물리 기반의 조기 경고 신호로 기능하는가?
• RQ3 기존의 통계적 지표(분산 및 자기상관)와 비교할 때 새로운 조기 경고 신호의 신뢰성과 민감도는 어떠한가?
• RQ4 관측 및 재분석 자료에 따르면 현재의 AMOC는 이미 붕괴점에 가까이 다가가고 있는가?
• RQ5 결과가 모델의 편향이나 특정 강제 조건의 세부 사항에 얼마나 의존하는가? 그리고 배경 기후 상태와 무관하게 이 신호를 적용할 수 있는가?

주요 결과

• 이 연구는 최신 기후 모델(CESM1.0.5)에서 처음으로 시뮬레이션된 AMOC 붕괴 이벤트를 제시하며, 점진적인 담수 유입 조건 하에서 1,750년 후 급격히 붕괴가 발생하였다.
• AMOC 강도는 모델 연도 1,750–1,850년 사이에 약 10 Sv에서 2 Sv로 감소하였으며, 모델 연도 2,000년까지 순환류와 열 수송이 각각 75% 감소하였다.
• 새로운 조기 경고 신호인 34°S에서의 AMOC에 의해 유도되는 담수 수송($F_{\mathrm{ovS}}$)의 최소값은 붕괴가 임박했음을 나타내는 강력하고 물리 기반의 지표로 확인되었다.
• 관측 및 재분석 자료(GLORY12V1, SODA3.15.2, ORAS5, ORA-20C, ECCO-V4r4)는 현재의 AMOC가 이미 붕괴 경로에 진입해 있으며, 시뮬레이션된 신호와 일치함을 시사한다.
• 기존의 통계적 지표에 비해 분석 창의 선택에 덜 민감한 반면, 기존 지표는 붕괴 이전의 분석 간격에 매우 민감한 것으로 나타났다.
• 이 시뮬레이션에서의 AMOC 붕괴는 강력한 외부 강제에 의한 직접적 반응이 아니라 내부 피드백에 의해 발생하였으며, 중간 복잡도 기후 모델과 유사한 진정한 힉킹 포oin 행동을 보였다.

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