Clim Dyn (2018) 50:2537–2552 DOI 10.1007/s00382-017-3756-0

Effect of AMOC collapse on ENSO in a high resolution general circulation model

Mark S. Williamson1 · Mat Collins2 · Sybren S. Drijfhout3 · Ron Kahana4 · Jennifer V. Mecking3 · Timothy M. Lenton1

Received: 12 January 2017 / Accepted: 7 June 2017 / Published online: 17 June 2017

copy; The Author(s) 2017. This article is an open access publication

Abstract We look at changes in the El Nintilde;o Southern Oscillation (ENSO) in a high-resolution eddy-permitting climate model experiment in which the Atlantic Meridi- onal Circulation (AMOC) is switched off using freshwater hosing. The ENSO mode is shifted eastward and its period becomes longer and more regular when the AMOC is off. The eastward shift can be attributed to an anomalous east- ern Ekman transport in the mean equatorial Pacific ocean state. Convergence of this transport deepens the ther- mocline in the eastern tropical Pacific and increases the temperature anomaly relaxation time, causing increased ENSO period. The anomalous Ekman transport is caused by a surface northerly wind anomaly in response to the meridional sea surface temperature dipole that results from switching the AMOC off. In contrast to a previous study with an earlier version of the model, which showed an increase in ENSO amplitude in an AMOC off experiment, here the amplitude remains the same as in the AMOC on control state. We attribute this difference to variations in the response of decreased stochastic forcing in the differ- ent models, which competes with the reduced damping of temperature anomalies. In the new high-resolution model,

these effects approximately cancel resulting in no change in amplitude.

Keywords ENSO · AMOC · AMOC collapse · Abrupt climate change · Hosing experiment · CGCM

Introduction

The net transport of heat from the equator to higher north- ern latitudes in the Atlantic caused by the flow of upper water layers in the Atlantic ocean, part of the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC), is responsible for the mild winters in western Europe. This net ocean flow is part of a larger ocean mode known as the thermohaline circulation. Simple models of this circulation show tipping point like behaviour i.e. they can abruptly switch from one mode to another when changes in climatic conditions are comparatively small and slow (Stommel 1961; Rooth 1982; Marotzke and Willebrand 1991). It has been shown that the Atlantic branch of this circulation can abruptly switch off under certain conditions causing major changes in the cli- mate not only in the North Atlantic but also globally (Vel-

linga and Wood 2002; Stouffer et al. 2006; Jackson et al.

* Mark S. Williamson m.s.williamson@exeter.ac.uk

1 Earth System Science Group, College of Life

and Environmental Sciences, University of Exeter, Laver Building, North Park Road, Exeter EX4 4QE, UK

2 College of Engineering, Mathematics and Physical Sciences, University of Exeter, Exeter, UK

3 Ocean and Earth Science, National Oceanography Centre Southampton, University of Southampton, Southampton SO14 3ZH, UK

4 Hadley Centre, Met Office, Exeter, UK

2015). It is thought that this has happened in the past Earth history (Dansgard–Oeschger events and Heinrich stadials, Rahmstorf 2002; Clement and Peterson 2006) and although present research suggests a collapse of the Atlantic MOC is unlikely to occur in the 21st century under global warm- ing scenarios (Collins et al. 2013), the impacts of a shut- down are severe making it a low probability high impact event. Even though a shutdown is thought to be unlikely by the end of the 21st century, a weakening in AMOC was assessed to be very likely by the IPCC AR5 (Collins et al.

2013) making assessment of the impacts of this tipping point, both regional and global, a useful exercise.

In future climate model projections, emissions are pre- scribed causing a reduction or perhaps a shutdown of the AMOC indirectly along with other climate impacts. The work reported here differs in that only the impacts of AMOC shutdown are assessed. This is done by forc- ing a high resolution Earth system model into a collapsed AMOC state directly using a large salinity perturbation applied for 10 years, without changing anything else (such as emissions). The AMOC off state in this simulation is stable over the 450 years duration of the model integration (Mecking et al. 2016) which is then compared with a con- trol run making the study a comparatively clean assessment of the impacts of AMOC shutdown. The model used is a state of the art global climate model (HadGEM3), a high resolution general circulation model with coupled ocean, atmosphere, sea ice and land surface and hydrology.

Similar lsquo;freshwater hosingrsquo; experiments have been per- formed with models of differing complexity, from other coupled GCMs (Vellinga and Wood 2002) to models of intermediate complexity (Rahmstorf et al. 2005). In these studies, removing such a large ocean flux of heat into the North Atlantic causes a large reorganization of the global climate, amongst these impacts there is substantial cooling around the North Atlantic region and a southward shift in the intertropical convergence zone (ITCZ).

We look in particular at the differences in ENSO res

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Clim Dyn（2018）50：2537-2552 DOI 10.1007 / s00382-017-3756-0

高分辨率通用循环模型中AMOC坍塌对ENSO的影响

标记 S. Williamson1 · 垫 Collins2 ·Sybren S. Drijfhout3·罗恩 Kahana4 ·詹妮弗五 Mecking3 ·Lenton1

收稿日期：2017年1月12日/接受日期：2017年6月7日/在线发布时间：2017年6月17日

copy;The Author（s）2017。本文是一个开放获取的出版物

摘要我们研究了厄尔尼诺南方涛动（ENSO）在高分辨率涡旋允许气候模型实验中的变化，其中使用淡水软管关闭了大西洋环流循环（AMOC）。当AMOC关闭时，ENSO模式向东移动并且其周期变得更长且更规则。东移可归因于赤道太平洋平均状态的东部埃克曼运输异常。这种运输的收敛加深了热​​带东太平洋的温跃层，增加了温度异常弛豫时间，导致ENSO时期增加。异常的埃克曼运输是由于表面偏北风异常引起的，这是由于关闭了AMOC而产生的经向海面温度偶极子。与以前使用该模型的早期版本的研究相比，该模型显示在AMOC关闭实验中ENSO振幅增加，此处振幅与控制状态下的AMOC相同。我们将这种差异归因于不同模型中随机强迫减小的响应的变化，这与温度异常的减小的阻尼竞争。在新的高分辨率模型中，

这些影响大致抵消，导致振幅没有变化。

关键词ENSO·AMOC·AMOC坍塌·气候突变·软管实验·CGCM

介绍

由于大西洋上层水层的流动，大西洋经向翻转环流（AMOC）的一部分，从赤道到大西洋北部高纬度地区的热量净输送，是西欧温和冬季的原因。这种净海洋流动是更大的海洋模式的一部分，被称为温盐环流。这种循环的简单模型显示出类似行为的临界点，即当气候条件变化相对较小且缓慢时，它们可以突然从一种模式切换到另一种模式（Stommel1961; Rooth 1982;Marotzke和Willebrand1991).事实证明，这种流通的大西洋分支在某些条件下会突然关闭，导致气候发生重大变化，不仅在北大西洋，而且在全球范围内（Vel-

林加和伍德2002;Stouffer等。2006;杰克逊等人。

* 马克·威廉姆森mswilliamson@exeter.ac.uk

1生命学院地球系统科学小组

埃克塞特大学环境科学学院，英国埃克塞特EX4 4QE北园路紫菜大厦

2英国埃克塞特埃克塞特大学工程，数学和物理科学学院

3海洋与地球科学，国家海洋学中心南安普敦，南安普敦大学，南安普敦SO14 3ZH，英国

4英国埃克塞特气象局哈德利中心

2015).人们认为这发生在过去的地球历史中（Dansgard-Oeschger事件和Heinrich stadials，Rahmstorf）2002;克莱门特和彼得森2006虽然目前的研究表明，在全球变暖情景下，21世纪不太可能发生大西洋MOC的崩溃（Collins等。2013），关闭的影响是严重的，使其成为低概率的高影响事件。尽管到21世纪末认为关闭不太可能，但IPCC AR5很可能评估AMOC的减弱（Collins等人。

2013）评估这一临界点（区域和全球）的影响是一项有益的工作。

在未来的气候模型预测中，规定了排放，导致AMOC间接减少或可能关闭以及其他气候影响。这里报告的工作不同之处在于仅评估了AMOC停机的影响。这是通过将高分辨率地球系统模型直接使用应用了10年的大盐度扰动强制进入崩溃的AMOC状态来完成的，而不会改变任何其他因素（例如排放）。该模拟中的AMOC关闭状态在450年的模型积分持续时间内是稳定的（Mecking等人。2016然后将其与对照运行进行比较，使研究对AMOC停机的影响进行相对清晰的评估。使用的模型是最先进的全球气候模型（HadGEM3），一种高分辨率的一般循环模型，具有耦合的海洋，大气，海冰和陆地表面和水文。

与其他耦合GCM（Vellinga和Wood）的复杂程度不同的模型进行了类似的“淡水软管”实验2002）对中间复杂性的模型（Rahmstorf等。2005).在这些研究中，消除如此大的海洋热量流入北大西洋导致全球气候的大规模重组，其中包括北大西洋地区周围的大量降温和热带辐合区（ITCZ）的南移。

我们特别关注ENSO的差异，这是由于全球气候变化引起的，AMOC的崩溃可以在模型中引发。ENSO是赤道太平洋的耦合海洋 - 大气振荡模式，是自然非强迫变率的主导全球模式。其影响足以改变典型的全球气候模式。ENSO在两个状态之间振荡，一个是温暖的状态，厄尔尼诺现象和一个冷状态的拉尼娜，持续时间约为3 - 7年。通常，赤道太平洋的西侧有一些地球上最高的海面温度（SSTs）。这个“暖池”导致净风向东吹向西推动地表水向西推进，导致西太平洋温跃层出现洼地，东部温跃层升高。东部的这种升降导致寒冷，营养丰富的深水流入南美海岸。每隔几年这个准稳定阶段就会破裂，净风停止，温跃层调整到新的压力梯度，温暖的水池在厄尔尼诺事件中从西向东传播穿越太平洋，导致东部的SST上升，温跃层加深了上升流抑制冷水的作用。这是全球范围内的大规模能源调整，并且显着改变了典型的天气模式。

对ENSO行为做出具体陈述

由于海洋和海洋的微妙平衡，证明是困难的

大气反馈确定其特征（Collins等。2010).在建模研究中，可以生成十年或百年调制而不会对外部强迫进行任何改变（Wittenberg2009).包括改变强迫和改变平均条件使得变化更加困难。由于这种敏感的平衡，不同模型强制使用相同的边界条件产生了广泛的ENSO行为（Bellenger等。2014).

在CMIP3时代模型的软管，弱化AMOC运行中也有ENSO的研究（Timmerman等。2007;董和萨顿2007并且在大多数模型中，赤道东太平洋的年周期显着减弱，ENSO幅度增加。这两个特征都发现在HadCM3（早期的Met Office Hadley中心模型）以及ENSO模式的东移（Dong和Sutton）2007).我们在HadGEM3中发现相同的东移和弱化年周期，但它们在ENSO周期响应中有所不同，在HadGEM3中持续较长时间（HadCM3没有显着变化）且振幅保持大致相同（HadCM3 ENSO振幅增加约一个第三）。

使用由Jin引入的缓慢ENSO动力学的随机强制阻尼振荡器模型（1997为了定性地理解更复杂的HadGEM3的响应，我们认为不同模型之间ENSO振幅的差异是由于ENSO阻尼的变化和随机强迫的大小的平衡。更具体地说，该模型中减小的阻尼意味着对于固定的强迫幅度，ENSO振荡幅度更大。在AMOC运行中，这种减小的阻尼是由于东太平洋温度异常从较深的温跃层的弛豫时间引起的。因此应该产生更高的ENSO振幅。然而，减小的随机强迫振荡抵消了这种增加。因此，整体ENSO幅度是这两种竞争效应之间的竞争。

在Sect。2 我们描述了模型和实验设计。在Sect。3 在分析主要的热带太平洋变异模式，它们的幅度，功率谱和自相关函数以及模拟之间的差异之前，我们简要描述了AMOC关闭和对照运行中的模型状态。在Sect。4 我们提供了两种模拟中ENSO之间差异的机制和支持证据，并在以前的研究结果的背景下讨论了这些结果。5.结论在Sect。中给出。6.

模型设置和实验设计

型号说明

该模型及其性能先前已在其他地方详细描述过（Williams等人。2015).为了重复相关细节，该模型是Global Coupled

HadGEM3模型的2.0模型（GC2）配置（Hewitt等。2011).这包括大气，海洋，海冰和陆面模型。大气模型是Global Atmosphere vn6.0（GA6）（Demory et al。2013）N2办公统一模型在N216水平分辨率和85水平垂直。海洋模型是全球海洋5（GO5）（Megann等。2013）NEMO模型的ORCA025配置版本（Madec 2008）涡流允许水平分辨率为0.25◦ 和75垂直水平。海冰模型是洛斯阿拉莫斯国家实验室海冰模型的第4.1版，CICE（Hunke和Lipscomb）2010）和分辨率与海洋模型的分辨率相同。GC2中使用的土地模型是英国联合土地环境模拟器（JULES）的GL6配置。该模型模拟土壤状况和5种植被类型[阔叶树，针叶树，C3

（温带）草地，C4（热带）草和灌木]在每个陆地网箱中。在整个模拟过程中，这些植物类型的分布是固定的。

• • 1. 实验设计

我们先前已经给出了实验设计和我们在此分析的运行的细节（Jackson等人。2015;梅克等人。2016).比较模型的两次运行，稳态控制运行（AMOC在此运行中处于通常的开启状态）和AMOC关闭稳态运行。为此，该模型从气候学初始化并旋转超过36年。然后将控制运行集成150年。为了解决AMOC的Vellinga和Wood方法（2002）用于扰乱鞋面的盐度

北大西洋的一些层来抑制深层对流并因此迅速关闭AMOC（AMOC的沉没分支的缺失就是我们将其称为AMOC关闭状态）。虽然这种坍塌AMOC的方法是不现实的（格陵兰冰盖融化和北极径流的淡水添加是全球变暖预测中AMOC关闭的最可能原因），但它对于研究停工的影响很有用。在控制运行42年后，AMOC关闭运行初始化。瞬间盐度扰动适用于大西洋和北冰洋北部的北部海洋536米◦N，每年12月，前10年停止灌溉。每次盐度扰动相当于以1 Sv（1 Sv = 106m3/ s）的速率连续添加淡水10年（总共10 SvYr）。正如在软管实验中的常见做法一样，海洋其他部分的盐度也受到扰动，使得全球海洋的总淡水含量保持不变。从盐度扰动开始，AMOC非运行整合了450年。除了辐射通量的昼夜和周期之外，不对模型施加外部强迫。大气CO₂ 浓度固定在1978年的水平。

随着扰动的应用，AMOC在控制运行中从稳定的15 Sv（最大流量函数26.5◦N）坍塌，并且在450年的完整模型模拟期间仍然非常弱。因此，30◦N的经向大西洋热传输从1到0.5 PW减半，北大西洋的表面气温（SAT）减少4 ◦C（Jackson等人。2015).在盐度扰动结束60年后，AMOC关闭模拟大致静止但是在26.6◦N的AMOC流函数中的最大值确实具有非常缓慢的增加趋势

在450年结束时的5个Sv。然而，再往北，AMOC没有恢复的迹象（Mecking等。2016，见图。1).

图1

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