Constraining future Antarctic ice loss with the coupled ice-ocean model PISM-FESOM

• Applicant: Professorin Dr. Ricarda Winkelmann
• Subject Area: Oceanography
• Term: from 2017 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 365777940

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Ziel des Projektes ‚Abschätzung des zukünftigen Eisverlustes mit dem gekoppelten Modell PISM-FESOM‘ war es, dynamische Prozesse und Wechselwirkungen zwischen dem antarktischen Eisschild und dem Südlichen Ozean sowie deren Einfluss auf den zukünftigen Eisverlust zu untersuchen. Hierzu wurde das neu-gekoppelte Eis-Ozean-Modell-Systems FESOM-PISM verwendet, mit dem die relevanten Prozesse mit bis zu 1 km Auflösung abgebildet werden können. Ein besonderer Fokus des Projektes lag auf der Weddellmeer-Region mit dem Filchner-Ronne Schelfeis – einem der größten Schelfeise der Antarktis. Diese Region reagiert besonders empfindlich auf Klimaänderungen, und es wird vermutet, dass es bei fortschreitender globaler Erwärmung zu einem plötzlichen Einströmen von wärmeren Wassermassen in die Schelfeiskaverne kommen kann. Ein solcher Warmwassereinstrom hätte weitreichende Auswirkungen auf die Eisdynamik, bis hin zum Auslösen der marinen Eisschild-Instabilität, die den Verlust großer Teil der Westantarktis und einen globalen Meeresspiegelanstieg von mehr als drei Metern zur Folge hätte. Ob und wann eine solche Instabilität ausgelöst wird, ist eine der entscheidenden Fragen im Hinblick auf die langfristige Stabilität des antarktischen Eisschilds, und hängt maßgeblich von den Wechselwirkungen zwischen Eis und Ozean - insbesondere in den Eisschelfkavernen - ab. Genau diese Wechselwirkungen wurden in diesem DFG-SPP Projekt erstmals mit dem gekoppelten Modell FESOM-PISM untersucht. Hierzu wurden Eis- und Ozeanmodell schrittweise in einem Spin-up Prozess aufeinander abgestimmt, um einen möglichst realistischen Zustand zu erhalten, der dem heutigen ähnelt. Ausgehend von diesem Referenzzustand ließen sich Meeresspiegelbeiträge aus dieser Region bis zum Jahr 2200 (mit jährlicher Kopplung) unter einem starken Treibhausgas-Emissionsszenario abschätzen. Dabei wurden teilweise abrupte Änderungen identifiziert – so steigen die Schmelzraten ab dem Jahr 2075 um etwa 1000 Gigatonnen pro Jahr. Diese legen nahe, dass selbstverstärkende Rückkopplungen, vor allem auf der Ozeanseite, den plötzlichen Anstieg der Schmelzraten verursachen. Die Eismächtigkeitsverluste um etwa 32% bis zum Jahr 2200 (das entspricht durchschnittlich etwa 1m pro Jahr) haben indirekt auch Auswirkungen auf die Eisdynamik im Landesinneren: durch die geringere Stützwirkung des Schelfeises beschleunigt sich der Eisfluss über die Aufschwimmlinie. Diese Beschleunigung bedingt einen Meeresspiegelanstieg um 40 mm in unseren Simulationen bis zum Ende des 22. Jahrhunderts. Aufgrund der langen Antwortzeiten des Eises tritt der Großteil des Eisverlustes jedoch über weitaus längere Zeiträume auf. Die entsprechenden Analysen, auch der langfristigen Auswirkungen auf den Meeresspiegelbeitrag der Antarktis, werden in einer abschließenden Publikation im Detail ausgeführt.

Publications

• Antarctic sub-shelf melt rates via PICO. The Cryosphere, 12(6), 1969-1985.
  Reese, Ronja; Albrecht, Torsten; Mengel, Matthias; Asay-Davis, Xylar & Winkelmann, Ricarda
  
• Extensive retreat and re-advance of the West Antarctic Ice Sheet during the Holocene. Nature, 558(7710), 430-434.
  Kingslake, J.; Scherer, R. P.; Albrecht, T.; Coenen, J.; Powell, R. D.; Reese, R.; Stansell, N. D.; Tulaczyk, S.; Wearing, M. G. & Whitehouse, P. L.
  
• initMIP-Antarctica: an ice sheet model initialization experiment of ISMIP6. The Cryosphere, 13(5), 1441-1471.
  Seroussi, Hélène; Nowicki, Sophie; Simon, Erika; Abe-Ouchi, Ayako; Albrecht, Torsten; Brondex, Julien; Cornford, Stephen; Dumas, Christophe; Gillet-Chaulet, Fabien; Goelzer, Heiko; Golledge, Nicholas R.; Gregory, Jonathan M.; Greve, Ralf; Hoffman, Matthew J.; Humbert, Angelika; Huybrechts, Philippe; Kleiner, Thomas; Larour, Eric; Leguy, Gunter; ... & Zhang, Tong
  
• Glacial-cycle simulations of the Antarctic Ice Sheet with the Parallel Ice Sheet Model (PISM) – Part 1: Boundary conditions and climatic forcing. The Cryosphere, 14(2), 599-632.
  Albrecht, Torsten; Winkelmann, Ricarda & Levermann, Anders
  
• The hysteresis of the Antarctic Ice Sheet. Nature, 585(7826), 538-544.
  Garbe, Julius; Albrecht, Torsten; Levermann, Anders; Donges, Jonathan F. & Winkelmann, Ricarda
  
• The role of history and strength of the oceanic forcing in sea level projections from Antarctica with the Parallel Ice Sheet Model. The Cryosphere, 14(9), 3097-3110.
  Reese, Ronja; Levermann, Anders; Albrecht, Torsten; Seroussi, Hélène & Winkelmann, Ricarda
  
• Coupling framework (1.0) for the PISM (1.1.4) ice sheet model and the MOM5 (5.1.0) ocean model via the PICO ice shelf cavity model in an Antarctic domain. Geoscientific Model Development, 14(6), 3697-3714.
  Kreuzer, Moritz; Reese, Ronja; Huiskamp, Willem Nicholas; Petri, Stefan; Albrecht, Torsten; Feulner, Georg & Winkelmann, Ricarda
  
• Projected land ice contributions to twenty-first-century sea level rise. Nature, 593(7857), 74-82.
  Edwards, Tamsin L.; Nowicki, Sophie; Marzeion, Ben; Hock, Regine; Goelzer, Heiko; Seroussi, Hélène; Jourdain, Nicolas C.; Slater, Donald A.; Turner, Fiona E.; Smith, Christopher J.; McKenna, Christine M.; Simon, Erika; Abe-Ouchi, Ayako; Gregory, Jonathan M.; Larour, Eric; Lipscomb, William H.; Payne, Antony J.; Shepherd, Andrew; Agosta, Cécile; ... & Zwinger, Thomas