Variabilità e cambiamenti climatici, cosa ci insegna l'oceanografia polare A. Bergamasco CNR ISMAR

CAPI A. Bergamasco Outline: MotivazioniMotivazioni Evidenze fenomenologicheEvidenze fenomenologiche Processi coinvoltiProcessi coinvolti Ruolo dell’AntartideRuolo dell’Antartide Alcuni esperimenti numericiAlcuni esperimenti numerici ConclusioniConclusioni

CAPI A. Bergamasco Il sistema Terra è un sistema integrato si comporta cioè come un singolo sistema, anche se può essere pensato come un insieme interconnesso di sotto- sistemi in grado di autoregolarsi La composizione dell’atmosfera e il clima sono strettamente accoppiati Periodi glaciali lunghi Periodi interglaciali corti

CAPI A. Bergamasco Ci sono molte incertezze nella comprensione del clima Il clima della Terra è regolato da un'enorme numero di complesse interazioni tra l'atmosfera, l'oceano, le calotte ghiacciate, la superficie terrestre, la vegetazione…

CAPI A. Bergamasco Il bilancio radiativo e la dinamica dell’ atmosfera è cruciale per comprendere la variabilità del clima Ma… Ma…

CAPI A. Bergamasco Il Ruolo degli oceani è essenziale Essi immagazzinano e trasportano sia calore che acqua

CAPI A. Bergamasco Come avviene l’accoppiamento atmosfera - oceano?

CAPI A. Bergamasco Open Ocean Deep Convection (NADW) perdita di galleggiamento in mare aperto causata dall’intenso raffreddamento - evaporazione Shelf Slope Flow (AABW) aumento di densità indotto dal rilascio di sale durante la formazione di ghiaccio marino o durante l’accrescimento delle piattaforme ghiacciate, sprofondamento lungo la scarpate continentali La circolazione termoalina è il principale meccanismo attraverso il quale l’oceano contribuisce al controllo del bilancio radiativo globale Due sono I motori:

CAPI A. Bergamasco Conferma sperimentale

CAPI A. Bergamasco nel mare di Ross

CAPI A. Bergamasco … un po’ di modeling

CAPI A. Bergamasco Modello di circolazione del mare di Ross & Confronto con i dati

CAPI A. Bergamasco ISW HSSW … vento mensile medio ECMWF, catabatico sintetico a BTN… … Dal GCM 3D PE … al modello di processo “Down slope flow”

CAPI A. Bergamasco Perché i Processi di down slope flow sono importanti Scambi shelf sea – open oceanScambi shelf sea – open ocean Ventilazione dell’oceano profondoVentilazione dell’oceano profondo Export del carbonio & materia organica negli abissiExport del carbonio & materia organica negli abissi Perché i Processi di down slope flow sono importanti Scambi shelf sea – open oceanScambi shelf sea – open ocean Ventilazione dell’oceano profondoVentilazione dell’oceano profondo Export del carbonio & materia organica negli abissiExport del carbonio & materia organica negli abissi

CAPI A. Bergamasco Evidenza sito H Dt = 5 giorni acquisizione (2 NM risoluzione) Dx = 50 Km. Dy = 50 Km. Cumulative  /h

CAPI A. Bergamasco

C. Adare 2001 ratio RF HSSW = (C CDW – C sample ) / (C CDW – C HSSW ) where C CDW and C HSSW are CFC concentration in CDW and HSSW and C sample is the concentration measured in the sample.

CAPI A. Bergamasco PROCESSI COINVOLTI NEL NEL MOTO di discesa DOWN SLOPE

CAPI A. Bergamasco Emisfero Australe Processi del moto Downslope Correnti di Gravità Ekman drainage Tutti I meccanismi che possono rompere il vincolo della Vorticità Potenziale

CAPI A. Bergamasco Implementazione del modello

CAPI A. Bergamasco 49.5 Km Risoluzione dello strato di fondo: 1 m spessore al bordo sud (500m) 3 m spessore al bordo nord (1500) f 0 = beta=0.

CAPI A. Bergamasco CONDIZIONI INIZIALI

CAPI A. Bergamasco 0 m Southern edge Northern edge 100 m 200 m 500 m 300 m 400 m Surface Water CDW HSSW Bottom Condizioni Iniziali Idealizzate Ma Realistiche Dai dati acquisiti Condizioni Iniziali Idealizzate Ma Realistiche Dai dati acquisiti

CAPI A. Bergamasco setup modello ROMS

CAPI A. Bergamasco IMR Caratteristiche del modello E’ un Community Model ROMS version 2.1 E’ un modello Terrain-following coordinate Con coordinate verticali generalizzate, coordinate orizzontali curvilinee Sono disponibili numerosi schemi di mixing Ha una numerica avanzata, OMP and MPI.

CAPI A. Bergamasco IMR Caratteristiche (2) Usa uno schema 3rd-order upwind-biased horizontal advection Usa splines paraboliche in verticale, e spline Jacobiane barocliniche per il gradiente di pressione alla topografia Usa GLS mixing con parametri MY2.5 Non ha viscosità orizzontale esplicita

CAPI A. Bergamasco Esperimento a) Spessore > h E h E = Ekman Bottom Boundary Layer Plume spessa!

CAPI A. Bergamasco t=4ht=8h t=12ht=16h

CAPI A. Bergamasco Velocità verticale slice 25 Velocità verticale slice 28 t=4h

CAPI A. Bergamasco Velocità verticale slice 20 Velocità verticale slice 15 t=8h

CAPI A. Bergamasco Animazione

Considerazioni (1): La dinamica del bottom layer nella regione di scarpata può essere modellata con successo Modello cattura entrambi I principali processi Forced Ekman drainage (moto indotto dalla corrente sovrastante lungo scarpata) Cascading (moto indotto dal flusso downslope) Esistono 2 differenti comportamenti Thick plume (plume con spessori maggiori di h E ) Thin plume (plume con spessori inferiori a h E )

CAPI A. Bergamasco Considerazioni (2) Le evidenze sperimentali sono consistenti con le attuali simulazioni numeriche, ma si è capito che servono nuove misure alle giuste scale Sono in gioco dinamiche con scale molto piccole, sia nel tempo che nello spazio, ma I processi coinvolti sono componenti chiave per importanti effetti anche a scala globale … e nel futuro?

CAPI A. Bergamasco Esempio di modello regionale Ice-Ocean Simulation Of the Barents and Kara Seas Work in progress con i colleghi Norvegesi [P. Budgell] ROMS User Meeting, Venice October 18-21, 2004 IMR

CAPI A. Bergamasco IMR La regione di interesse : Barents Sea Primo esperimento di Dynamical downscaling experiments Primo tentativo di replica del present-day climate

CAPI A. Bergamasco IMR Dominio

CAPI A. Bergamasco IMR Modello con Ice Dynamics Ice dynamics basata sulla reologia EVP (elastic-viscous-plastic) di Hunke & Dukowicz (1997), Hunke (1991) & Hunke and Dukowicz (1992). Il mdello EVP parallelizza molto efficientemente sia con OpenMP che con MPI.

CAPI A. Bergamasco IMR Modello con Ice Thermodynamics Ice thermodynamics basata su Mellor & Kantha (1989), Häkkinen & Mellor (1992). Caratteristiche principali: 3-livelli, strato ghiaccio singolo; strato neve singolo Strato molecolare sotto il ghiaccio; Prandtl-type ice-ocean boundary layer Scioglimento superficiale Forcing con short & long-wave radiation, sensible and latent heat flux Flussi NCEP superficiali

CAPI A. Bergamasco IMR Set-up del modello Risoluzione orizzontale: km 32 livelli verticali Assimilazione via Nudging

CAPI A. Bergamasco IMR Condizioni iniziali e al contorno Tidal forcing [AOTIM] Run del modello a Coarse resolution per l’inizializzazione e il boundary forcing del modello regionale 50 km di risoluzione nel mare del Nord/Arctic Hindcast completato, e archiviato con campi medi 5-giorni

CAPI A. Bergamasco IMR Risultati del run: Simulazione

CAPI A. Bergamasco IMR Conclusioni Modello cattura la variabilità stagionale E’ in ”Good agreement” con dati osservati di ghiaccio Brine rejection dal processo di formazione di ghiaccio produce masse d’acqua realistiche ROMS cattura gran parte della variabilità a mesoscala anche con risoluzioni a 9-km..... Ma...

CAPI A. Bergamasco Con nuovi modelli di complessità intermedia : EMICSCon nuovi modelli di complessità intermedia : EMICS Earth System Models of Intermediate Complexity Semplici abbastanza per poter simulare lunghi periodi di tempo Semplici abbastanza per poter simulare lunghi periodi di tempo Complessi abbastanza da catturare i feedbacks critici delle interazioni e le loro non-linearità Complessi abbastanza da catturare i feedbacks critici delle interazioni e le loro non-linearità e.g.: Lo switching on - off della ‘Conveyor belt’ Atlantica può causare 3 differenti comportamenti durante le ere glaciali Capire il sistema Terra Rahmstorf (2001) Spek. der Wiss.

CAPI A. Bergamasco GRAZIE…