OCE-PRF: Steps Toward Quantitative ENSO Reconstruction: Modeling Ocean Circulation Near Coral Proxy Sites

OCE-PRF:定量 ENSO 重建的步骤:模拟珊瑚代理地点附近的海洋环流

基本信息

  • 批准号:
    1323104
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 17万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Fellowship Award
  • 财政年份:
    2013
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2013-07-01 至 2017-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Overview: Reconstructions of the El Nino/Southern Oscillation (ENSO), the dominant mode of Pacific climate variability, are often created from the oxygen isotopic ratio (delta O-18) in tropical corals. These records provide crucial information for independent validation of climate models, as coral delta O-18 is one of the only high-resolution tropical proxies available. But because of the effort and expense involved, many reconstructions use only a handful of coral records; then to interpret delta O-18 variability in terms of ENSO behavior, a conversion must be made from local environmental conditions (as represented by the model) and the isotopic signal on the reef. In the past, this has been done using a linear calibration against temperature and salinity derived from gridded instrumental data, but the associated errors in ENSO amplitude are enormous; so large, in fact, that it becomes extremely difficult to identify specific improvements to model physics. The conversion errors are due to some combination of: uncertainties in observational products, small-scale effects (eddies/mixing) local to the reef, or unaccounted-for atmospheric influences. In this project, the fellow will assess the contribution of each of these processes, by quantifying the relationship between ENSO properties and delta O-18 anomalies on a variety of spatial scales in a realistic, "perfect-model" framework. The results will improve both future model validation efforts and the interpretability of existing coral delta O-18 records. Intellectual Merit: The experiments developed for this study will nest a regional ocean model within an isotope-enabled, coupled general circulation model (GCM) constrained to match 20th century observations. This will provide a spatially complete delta O-18 dataset with information on several different grid scales, which will function as a sort of 20th century ?reanalysis? of delta O-18; output will be provided as a public resource for interested researchers. The regional domain will cover both Palmyra Atoll and Kiritimati (Christmas) Island, two central equatorial Pacific coral atolls which have been used extensively for paleoclimate research, are highly sensitive to ENSO variability, and are influenced by dynamically interesting exchanges between tropical and subtropical water masses. The regional simulations will provide one of the first comprehensive model-based characterizations of circulation around tropical Pacific atolls, in addition to providing detailed information on the oceanographic impacts of 20th century El Nino/La Nina events on coral reef environments. Both Palmyra and Kiritimati also have extensive local environmental monitoring data available, which will be used for model validation. The dominant processes affecting seawater delta O-18 will be diagnosed in both the global and regional models, by constructing budgets of delta O-18. This will determine, as a function of spatial scale, which processes are most important for delta O-18 anomalies near sites used for proxy collection. The results can then be used during future efforts to validate GCMs against proxy data: is running an isotope-enabled model necessary, and if so at what resolution? The delta O-18 budgets will also be used to assess how different properties of El Nino/La Nina events (i.e. amplitude, warm/cold asymmetry) might be recorded by fossil corals, which can eventually provide guidance for improvements to physical parameterizations in GCMs. Broader Impacts: This project represents a fundamentally new and highly interdisciplinary approach to quantitative paleoclimate reconstruction, and the results will be useful for a wide variety of applications; all model output will be made publicly available. Collaboration with the NOAA Pacific Islands Fisheries Science Center will ensure that the results are relevant for ecological applications, and outreach work with underrepresented student populations around Oahu in collaboration with the Pacific Center for Ocean Science Education Excellence (COSEE-Pacific) will help to raise public awareness of coral reef conservation.Sponsoring Scientists: Brian Powell (U. Hawaii; lead sponsor), Russell Brainard (NOAA PIFSC), Kim Cobb (Georgia Tech), Mark Merrifield (U. Hawaii), David Noone (CU-Boulder)
厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)是太平洋气候变率的主要模式,通常是由热带珊瑚的氧同位素比率(δ O-18)创建的。这些记录为气候模式的独立验证提供了重要信息,因为珊瑚三角洲O-18是仅有的高分辨率热带代用物之一。但由于涉及的努力和费用,许多重建只使用了少量的珊瑚记录;然后,为了根据ENSO行为解释δ O-18变率,必须从当地环境条件(如模型所示)和珊瑚礁上的同位素信号进行转换。在过去,这是通过根据网格化仪器数据得出的温度和盐度进行线性校准来完成的,但是ENSO振幅的相关误差是巨大的;事实上,它是如此之大,以至于很难确定模型物理的具体改进。转换误差是由以下几种因素综合造成的:观测产品的不确定性、珊瑚礁局部的小尺度效应(涡流/混合)或未考虑的大气影响。在这个项目中,研究员将在一个现实的“完美模型”框架中,通过量化ENSO性质与δ O-18异常在各种空间尺度上的关系,来评估这些过程的贡献。该结果将改善未来模型验证工作和现有珊瑚三角洲O-18记录的可解释性。智力优势:为本研究开发的实验将在同位素支持的耦合环流模型(GCM)中嵌套一个区域海洋模型,该模型与20世纪的观测结果相匹配。这将提供一个空间上完整的delta O-18数据集,其中包含几个不同网格尺度的信息,这将作为一种20世纪的“再分析”。O-18;产出将作为公共资源提供给感兴趣的研究人员。该区域域将包括Palmyra环礁和Kiritimati(圣诞)岛,这两个赤道太平洋中部珊瑚环礁已广泛用于古气候研究,对ENSO变率高度敏感,并受到热带和亚热带水团之间动态有趣交换的影响。区域模拟除了提供20世纪厄尔尼诺/拉尼娜事件对珊瑚礁环境的海洋学影响的详细信息外,还将提供热带太平洋环礁周围环流的第一个综合模式特征之一。Palmyra和Kiritimati也有广泛的当地环境监测数据,这些数据将用于模型验证。通过构建海水δ O-18的预算,在全球和区域模型中诊断影响δ O-18的主导过程。这将决定,作为空间尺度的函数,哪些过程对用于代理收集的站点附近的δ O-18异常最重要。这些结果可以在以后的工作中用于验证gcm与代理数据的关系:是否有必要运行支持同位素的模型,如果有的话,在什么分辨率下运行?δ O-18预算还将用于评估化石珊瑚如何记录厄尔尼诺/拉尼娜事件的不同性质(即振幅,暖/冷不对称),这最终可以为改进gcm中的物理参数化提供指导。更广泛的影响:该项目代表了一种全新的、高度跨学科的定量古气候重建方法,其结果将用于各种各样的应用;所有的模型输出都是公开的。与美国国家海洋和大气管理局太平洋岛屿渔业科学中心的合作将确保结果与生态应用相关,并与太平洋海洋科学卓越教育中心(COSEE-Pacific)合作,与瓦胡岛周围代表性不足的学生群体开展外展工作,将有助于提高公众对珊瑚礁保护的认识。赞助科学家:布莱恩·鲍威尔(夏威夷大学,主要发起人),拉塞尔·布雷纳德(NOAA PIFSC),金·科布(佐治亚理工学院),马克·梅里菲尔德(夏威夷大学),大卫·诺恩(科罗拉多大学博尔德分校)

项目成果

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