Decrease in Atlantic circulation? Ralentissement de la circulation Atlantique?

by Gavin Schmidt and Michael Mann

In a sure-to-be widely publicized paper in the Dec. 1 Nature, Bryden et al. present results from oceanographic cruises at 25°N across the Atlantic showing a ~30% decline in the ocean overturning circulation. These cruises have been repeated every few years since 1957, and the last two cruises (in 1998 and 2004) show notable changes in the structure of the deep return circulation. In particular, the very deepest part of the return flow (at around 3000 to 5000 m) has reduced and moved up in the water column compared to previous decades. How solid is this result and what might it imply for climate?par Gavin Schmidt et Michael Mann (traduit de l’anglais par T. de Garidel)

Dans un article largement commenté dans la presse (voir par exemple ici et la) dans le numéro du 1er déc. de Nature, Bryden et al. présentent des résultats de croisières océanographiques à 25°N à travers l’Océan Atlantique qui montrent un déclin d’environ 30% de la circulation océanique “générale”–dite circulation thermohaline-. Ces croisières ont été répétées régulièrement depuis 1957, et les deux dernières croisières (en 1998 et 2004) montrent des changements notables de la structure de la circulation de retour profonde. En particulier, le flux dans la partie la plus profonde du courant de retour (entre environ 3000 et 5000 m) a diminué et est remonté dans la colonne de l’eau par rapport aux décennies précédentes. Quelle est la robustesse de ces résultats et quelles en sont les implications potentielles pour le climat ?
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The first question that is asked is usually how these calculations are done. Due to the predominantly “geostrophic” nature of the ocean circulation (i.e. velocity is generally horizontally perpendicular to pressure gradients because of the Coriolis effect), you can calculate changes in North-South velocities by only considering the East-West changes in temperature and salinity. So given a section across the ocean (say 25°N), oceanographers can estimate the transport across that section. The error in these numbers is a little hard to know, but Bryden et al estimate around +/- 6 Sv (1 Sv is 10⁶ m³/s, the Amazon output is around 0.1 Sv for perspective).

What did Bryden et al find? Their calculations indicate that the Gulf Stream itself has been remarkably stable over the almost 40 years, and this accords with other measurements of the Gulf Stream flow itself. Since what goes north must eventually go south (after taking into account the very small amounts of atmospheric transport and the amount of flow through the Bering Strait), all of the other changes will balance. They show that the amount of deep return flow seems to have gone down about 8 Sv (out of 25 Sv), and the amount of mid-ocean to surface transport has gone up by about the same amount. This corresponds to a roughly 30% apparent weakening in the so-called “Thermohaline Circulation” (see our previous discussion here). Since the surface flow is warmer than the deep flow, there is a consequent decrease in the northward heat flux of about 0.2 PW (or about 15%).

It should be stressed that should this be a sustained feature (and not affected by the +/- 6 Sv uncertainty estimated in the paper), this would be extremely significant. Modelling experiments suggest that this kind of decrease should be associated with a decrease in ocean temperatures in the North Atlantic of up to 2°C or so, and maybe 0.5° over Europe. Since these changes have not been observed (both the North Atlantic and Europe have warmed significantly over this time period), it might be premature to assert that the circulation definitely has changed. Alternatively, the models may not entirely be capturing the fairly complex oceanic processes involved. Continuous monitoring of this section has already been funded through the UK RAPID program and should provide much better data in the future, and a potential solution to this and other remaining puzzles.

It will take some time to integrate the findings of this study with other evidence of changes in North Atlantic ocean circulation, including the changes seen in salinity, changes in the so-called Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) (see e.g. Knight et al, 2005 and references therein) and other indicators of Atlantic climate change (e.g. Dickson et al, 2002). Right now, there isn’t an obvious synthesis of what these disparate studies are telling us.

While this is quite a serious issue, there are a few amusing points. Firstly, this study does present some awkward reading for some who hold that natural cyclical changes in the thermohaline circulation (rather than, say, anthropogenic influences), are responsible for the anomalous increase in Atlantic Hurricane activity in recent decades. Hurricane prognosticator William Gray (whose public statements we have commented on previously), has, in his recent senate testimony, confidently asserted that a putative increase in the intensity of the Atlantic Thermohaline circulation over recent decades was entirely responsible for this increase:

The Atlantic has large multi-decadal variations in major (category 3-4-5) hurricane activity. These variations are observed to result from multi-decadal variations in the North Atlantic Thermohaline Circulation (THC) – Fig. 4. When the THC is strong, it causes the North Atlantic to have warm or positive Sea Surface Temperature Anomalies (SSTA) and when the THC is weak, cold SSTAs prevail. Figure 5 shows these North Atlantic SSTAs over the last century with a projection for the next 15 years.

By Gray’s very clearly articulated reasoning, there should have been a downturn, not the observed upturn in major Atlantic hurricane activity over the past several decades (in the absence of other—including anthropogenic–influences on tropical Atlantic climate) if Bryden et al.’s results are correct. It will be interesting to see if Gray, and others, will change their line of argument in the face of this new study. Today, the last day of the official 2005 Atlantic Hurricane season, might be a fitting opportunity for them to do so.

Secondly, since the Gulf Stream itself is remarkably stable in these analyses, headline writers may have to adjust the standard ‘Gulf Stream may reverse’ titles that they normally come up with when dealing with this topic (though we note that The Independent succumbed anyway) . See here for a previous discussion.

And finally, for those of you who frequent some of the more contrarian websites, JunkScience.com tried to pull a bit of a fast one in predicting ‘imminent’ headlines on this issue on Tuesday (Nov 29th). This was before the official release of the paper, but after the embargoed copies of this paper had been sent out, which as journalists they would have seen, but their readers had not. You didn’t need to be Nostradamus to predict the headlines here! They were trying to suggest that ‘alarmists’ will automatically blame the ocean circulation for the current wintry weather in Europe. Since the Bryden paper is talking about a multi-decadal trend, this week’s weather is obviously not relevant…

References:
Harry L. Bryden, Hannah R. Longworth and Stuart A. Cunningham, Slowing of the Atlantic meridional overturning circulation at 25° N, Nature, 438, 655-657. 2005
Dickson et al. Rapid freshening of the deep North Atlantic Ocean over the past four decades, Nature, 416, 832-836. 2002
Knight, J.R., Allan, R.J., Folland, C.K., Vellinga, M., Mann, M.E., A signature of persistent natural thermohaline circulation cycles in observed climate, Geophysical Research Letters, 32, L20708, doi:10.1029/2005GL024233, 2005.


La première question qui est habituellement posée est comment ces calculs sont-ils faits. En raison de la nature principalement “géostrophique” de la circulation océanique (c.-à-d. la vitesse est généralement perpendiculaire –horizontalement- aux gradients de pression en raison de l’effet de Coriolis), il est possible de calculer les changements de vitesses Nord-Sud en se basant uniquement sur les variations Est-Ouest de température et de salinité. Ainsi en considérant une section longitudinale à travers l’océan (25°N par exemple), les océanographes peuvent estimer le transport à travers cette section. L’erreur d’estimation est un chiffre assez difficile a estimer, mais Bryden et al. l’estiment a environ +/- 6 Sv (1 Sv correspon a 10⁶ m³/s, le débit de l’’Amazone étant de 0.1 Sv pour avoir un ordre de grandeur).

Qu’est-ce que Bryden et al. ont trouvé dans ce travail ? Leurs calculs indiquent que le Gulf Stream lui-même a été remarquablement stable au cours des 40 dernieres années, et ceci est en accord avec d’autres mesures du flux du Gulf Stream. Comme ce qui va au nord doit a la fin repartir au sud (après avoir tenu compte d’une petite quantité d’échanges avec l’atmosphere et du courant océanique passant le détroit de Bering), tous les autres changements s’équilibrent. Ces auteurs prouvent que le flux de retour en profondeur semble avoir diminué d’environ 8 Sv (sur 25 Sv), alors que le flux a mi-profondeur a augmenté d’environ de la meme quantité. Ceci correspond à une baisse apparente d’approximativement 30% de la “circulation thermohaline” (voir notre précédente discussion ici). Puisque le flux de surface est plus chaud que celui profond, il y a une diminution conséquente du flux de chaleur vers les plus hautes latitudes d’environ 0.2 PW (ou environ 15%).

On devrait noter que si ce bilan était maintenu durablement (et non affectée par +/-6 Sv, l’incertitude estimée dans cet article), ce serait extrêmement significatif. Des expériences de modélisation suggérent que ce genre de diminution devrait être associé à une diminution des températures océaniques dans l’ Océan Atlantique Nord atteignant jusqu’à 2°C environ, et peut-être 0.5° en Europe. Puisque ces changements n’ont pas été observé (l’Océan Nord -Atlantique et l’Europe se sont réchauffés significativement au cours de cette meme période de temps), il est peut-être prématuré d’affirmer que la circulation a certainement changé. Alternativement, les modèles peuvent ne pas capturer entièrement les processus océaniques assez complexes impliqués. L’étude continue de cette section océanique a été déjà financée par le programme UK RAPID et devrait fournir des données bien meilleures à l’avenir, et une solution potentielle à cette question et à d’autres questions restants en suspens.

Cela prendra du temps d’intégrer ces résultats avec d’autres résultats de changements de la circulation de l’Océan Nord-Atlantique, y compris les changements décrits de la salinité, des changements de l’Oscillation Atlantique Multidécennalle (AMO) (voir par exemple. Knight et al., 2005 et références incluses) et d’autres indicateurs du changement du climat Atlantique (par exemple Dickson et al., 2002). A ce jour, il n’existe pas de synthèse évidente et cohérente des indications apportées par ces différentes études.

Alors que c’est un probleme sérieux, il y a quelques points amusants. Premièrement, cette étude présente des points malcommodes pour ceux qui soutiennent que les changements cycliques normaux de la circulation thermohaline (plutôt que par l’ influence anthropique) sont responsables de l’augmentation anormale de l’activité des ouragans dans l’Atlantique au cours des dernieres décennies. William Gray, le pronostiqueur d’ouragan (dont nous avons commentés ses rapports publics on précédemment), a, dans son audition récente au sénat Américain, affirmé avec confiance qu’une augmentation putative de la circulation Thermohaline Atlantique au cours des décennies récentes était entièrement responsable de cette augmentation :

The Atlantic has large multi-decadal variations in major (category 3-4-5) hurricane activity. These variations are observed to result from multi-decadal variations in the North Atlantic Thermohaline Circulation (THC) – Fig. 4. When the THC is strong, it causes the North Atlantic to have warm or positive Sea Surface Temperature Anomalies (SSTA) and when the THC is weak, cold SSTAs prevail. Figure 5 shows these North Atlantic SSTAs over the last century with a projection for the next 15 years.

En suivant le raisonnement très clair de Gray, il devrait y avoir eu une diminution, et non pas la reprise observée dans l’activité des ouragans majeurs Atlantique au cours des dernieres décennies (en l’absence de tout autre -y compris anthropogène — influence sur le climat atlantique tropical) si les résultats de Bryden et al. sont corrects. Il sera intéressant de voir si Gray, et d’autres, changeront leur argumentation face à cette nouvelle étude. Aujourd’hui, au dernier jour de la saison officielle des ouragans de l’Océan atlantique 2005, pourrait être l’occasion qu’ils en conviennent.

Deuxièmement, puisque le Gulf Stream lui-même est remarquablement stable dans ces analyses, les auteurs d’articles de journaux vont sans doute devoir ajuster leur titre standard ‘un renversement du Gulf Stream’ au regard de cette nouvelle étude. Voir ici pour une précédente discussion de ce sujet.

References:
Harry L. Bryden, Hannah R. Longworth and Stuart A. Cunningham, Slowing of the Atlantic meridional overturning circulation at 25° N, Nature, 438, 655-657. 2005
Dickson et al. Rapid freshening of the deep North Atlantic Ocean over the past four decades, Nature, 416, 832-836. 2002
Knight, J.R., Allan, R.J., Folland, C.K., Vellinga, M., Mann, M.E., A signature of persistent natural thermohaline circulation cycles in observed climate, Geophysical Research Letters, 32, L20708, doi:10.1029/2005GL024233, 2005.