title: Diagnostic evaluation of coupled Arctic energy and water budgets from observations and climate models
Creators: name: Winkelbauer, Susanna
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Diese Arbeit beschreibt den Fortschritt hin zu einer besseren Darstellung der laufenden grundlegenden Veränderungen in der Arktis durch (i) die Erstellung von auf Beobachtungen basierten, aktuellen Schätzungen des arktischen Wasserkreislaufs und (ii) die Validierung historischer Simulationen des Energie- und Wasserkreislaufs in Klimamodellen. (iii) Dabei sollen auch neue Methoden für die präzise Berechnung ozeanischer Transporte auf verschiedenen Modellgittern entwickelt werden. Im ersten Teil dieser Doktorarbeit wird der Abfluss vom Land in den Arktischen Ozean analysiert. Durch die Kombination vorhandener Beobachtungen mit Schätzungen aus Reanalysen wird eine neue und aktuelle, auf Beobachtungen basierende Schätzung des panarktischen Abflusses erstellt. Durch die Kombination mit dem atmosphärischen Eintrag aus Reanalysen, Speicheränderungen aus dem Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) und ozeanischen Volumenstransporten aus Ozean-Reanalysen wird die Schließung des Wasserhaushaltes bewertet. Unter Verwendung eines variationalen Anpassungsschemas werden die besten Schätzungen für jeden Term der Budgetgleichung erzeugt. Diese auf Beobachtungen basierenden Schätzungen bieten ein aktuelles Bild des arktischen Wasserhaushalts und bilden eine solide Grundlage für das zweite Ziel dieser Arbeit, die Validierung von Klimamodellen. Der zweite Teil dieser Arbeit gilt der Analyse relevanter Komponenten der arktischen Energie- und Wasserbilanzen für Klimamodelle des Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6). Simulierte Langzeitmittelwerte, Trends und saisonale Zyklen der vertikalen Flüsse an der Oberfläche sowie am Oberrand der Atmosphäre, laterale Transporte und Speicherraten in Atmosphäre und Ozean werden mit unserer beobachtungsbasierten Grundlage validiert. Wir finden große Unterschiede zwischen den Modellen und systematische Verzerrungen in der Darstellung von Langzeitmitteln und Jahreszyklen für mehrere Wasser- und Energiebilanzkomponenten. Frischwasserflüsse an der Oberfläche des Arktischen Ozeans werden von den meisten CMIP6-Modellen tendenziell überschätzt und etwa zwei drittel der Modelle zeigen einen zeitlichen Offset im Abflusszyklus, der mit einem frühen Bias in der Schmelze und dem Mangel an realistischen routing in den Modellen in Verbindung steht. Der vertikale Energiefluss aus dem Arktischen Ozean und die polwärts gerichteten ozeanischen Wärmetransporte werden von allen Modellen systematisch unterschätzt. Letztere zeigen eine starke Antikorrelation zur mittleren Meereisbedeckung, atmosphärischen Wärmetransporten und auch der langfristigen Erwärmungsrate des Ozeans. Somit ist für realistische Prognosen zukünftiger Erwärmungen in der Arktis eine genaue Darstellung des mittleren Zustands wichtig. Dieser neue und umfassende Überblick über die Fähigkeiten der Modelle beobachteten Energie- und Wasserhaushalte zu reproduzieren, sollte dazu beitragen, die Zuverlässigkeit der zukünftigen Prognosen der Modelle zu bewerten. Ein weiterer Aspekt dieser Doktorarbeit war die technische Entwicklung neuer Werkzeuge für die präzise Berechnung ozeanischer Transporte. Ozeanische Transporte formen das globale Klima, jedoch wird ihre Validierung basierend auf Reanalysen- und Modell-Daten durch die Verzerrung der verwendeten Modellgitter und die Vielzahl verschiedener Gittertypen erschwert. Mit Hilfe von zwei verschiedenen Methoden ermöglicht StraitFlux präzise Berechnungen ozeanischer Flüsse durch beliebige ozeanische Abschitte. Dies ermöglicht einen einfachen Vergleich mit beobachteten Transporten an Abschnitten wie etwa dem RAPID-Array oder den arktischen Wasserstraßen. StraitFlux wurde bereits bei Studien an der Greenland-Scotland-Ridge (GSR) und in der Region des Indonesian Throughflow verwendet und war entscheidend bei der Berechnung arktischer lateraler Flüsse in dieser Doktorarbeit.
description: This work describes progress towards a better description of the ongoing fundamental changes in the Arctic by (i) creating observation-based, up-to-date estimates of the Arctic water budget, (ii) validating historical energy and water budget simulations of state-of-the-art climate models, and (iii) developing new tools for the precise calculation of oceanic transports on various modeling grids. The first part of this doctoral thesis deals with the Arctic water budget as represented by observations. Firstly, river discharge into the Arctic Ocean is analyzed and by combining available gauge observations with reanalyses estimates, a new and up-to-date pan-Arctic observation based river discharge estimate is created. Through combination with atmospheric inputs from reanalyses, storage changes from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) and oceanic volume transports from ocean reanalyses, the closure of the non-steric water volume budget is assessed. Finally, using a variational adjustment scheme best estimates for every budget equation term are provided, offering an up-to-date picture of the Arctic water budget and a solid foundation for the second objective of this thesis, the validation of climate models. The second part of this thesis analyzes relevant components of the Arctic energy and water budgets for climate models from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6). Simulated long-term averages, trends and seasonal cycles of vertical fluxes at the surface as well as the top-of-atmosphere, lateral transports and storage rates in atmosphere and ocean are validated against our observation-based basis. Large inter-model spreads and systematic biases are found in the representation of long-term averages and annual cycles for several water and energy budget components. Surface freshwater fluxes into the Arctic Ocean tend to be overestimated by most CMIP6 models and about two thirds feature an early timing bias in the seasonal runoff cycle, attributed to an early snow melt bias and the lack of realistic river routing schemes. The net vertical energy flux out of the Arctic Ocean and poleward oceanic heat transports are systematically underestimated by all models. The latter show strong anti-correlation to the mean sea ice cover, atmospheric heat transports, and the long-term ocean warming rate. This strongly suggests that accurate depiction of the mean state is critical for realistic projections of future Arctic warming. This new and comprehensive overview of the models' performance, biases and their ability to reproduce the observed Arctic energy and water budgets should help to evaluate the reliability of the models' future projections. Another aspect of this doctoral thesis is dedicated to the technical development of new tools for the precise calculation of oceanic transports. Oceanic transports significantly influence the global climate, however their evaluation and validation based on reanalysis and model data is complicated by the distortion of the employed model grids and the diversity of different grid types used. Using two different methods, StraitFlux allows for precise calculations of oceanic fluxes through almost arbitrary sections, enabling straightforward comparisons with observed oceanic volume and energy transports at available sections such as the RAPID array or Arctic gateways. StraitFlux has been in use for transport studies at the Greenland-Scotland Ridge and the Indonesian Troughflow region and was essential in the calculation of Arctic lateral fluxes in this doctoral thesis.