Original paper

Climate evolution in the last five centuries simulated by an atmosphere-ocean model: global temperatures, the North Atlantic Oscillation and the Late Maunder Minimum

Zorita, Eduardo; von Storch, Hans; Gonzalez-Rouco, Fidel J.; Cubasch, Ulrich; Luterbacher, Jürg; Legutke, Stephanie; Fischer-Bruns, Irene; Schlese, Ulrich

Meteorologische Zeitschrift Vol. 13 No. 4 (2004), p. 271 - 289

published: Sep 2, 2004

DOI: 10.1127/0941-2948/2004/0013-0271

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ArtNo. ESP025011304002, Price: 29.00 €

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Abstract

The main results of a transient climate simulation of the last 500 years with a coupled atmosphere-ocean model driven by estimated solar variability, volcanic activity and atmospheric concentrations of greenhouse gases are presented and compared with several empirical climate reconstructions. Along the last five centuries the climate model simulates a climate colder than mean 20th century conditions almost globally, and the degree of cooling is clearly larger than in most empirical reconstructions of global and North hemispheric near-surface air temperature (MANN et al., 1998; JONES et al., 1998). The simulated temperatures tend to agree more closely with the reconstruction of ESPER et al. (2002) based on extratropical tree-ring chronologies. The model simulates two clear minima of the global mean temperature around 1700 A.D. (the Late Maunder Minimum) and around 1820 A.D. (the Dalton Minimum). The temperature trends simulated after the recovery from these minima are as large as the observed warming in the 20th century. More detailed results concerning the simulated Late Maunder Minimum, together with a spatially resolved historical reconstruction of the temperature field in Europe, are presented. It is found that the broad patterns of temperature deviations are well captured by the model, with stronger cooling in Central and Eastern Europe and weaker cooling along the Atlantic coast. However, the model simulates an intense drop of air-temperature in the North Atlantic ocean, together with an extensive sea-ice cover south of Greenland and lower salinity in North Atlantic at high latitudes, reminiscent of the Great Salinity Anomaly. Also, during the Late Maunder Minimum the intensities of the Golf Stream and the Kuroshio are reduced. This weakening is consistent with a reduced wind-stress forcing upon the ocean surface.

Kurzfassung

Die wichtigsten Ergebnisse einer transienten Klimasimulation der letzten 500 Jahre mit einem gekoppelten Atmosphäre-Ozean Modell werden vorgestellt und mit verschiedenen empirischen Klimarekonstruktionen verglichen. Das Klimamodell wird hierbei mit historischen Rekonstruktionen der solaren und vulkanischen Aktivität sowie variablen Treibhausgaskonzentrationen angetrieben. Das Klimamodell simuliert während der letzten fünf Jahrhunderte ein nahezu global kälteres Klima in Bezug auf die mittleren Bedingungen des 20. Jahrhunderts. Der Grad der Abkühlung ist hierbei deutlich stärker als innerhalb des Großteils der empirischen Rekonstruktionen der globalen oder nordhemisphärischen bodennahen Lufttemperaturen (MANN et al., 1998; JONES et al., 1998). Die simulierten Temperaturen scheinen jedoch mit den Rekonstruktionen von ESPER et al. (2002), basierend auf außertropischen Baumringchronologien, in einem höheren Maße übereinzustimmen. Das Modell simuliert deutlich zwei globale Temperaturminima um 1700 n. Chr. (Spätes Maunder Minimum) und um 1820 n. Chr. (Dalton Minimum). Die Größe der simulierten Temperaturtrends nach Erholung von diesen Minima entspricht dabei der beobachteten Erwärmung innerhalb des 20. Jahrhunderts. Detailliertere Untersuchungen konzentrieren sich auf das simulierte Späte Maunder Minimum sowie eine räumlich hochaufgelöste historische Rekonstruktion der Temperaturfelder Europas. In diesem Zusammenhang stellt sich heraus, dass die Temperaturabweichungen, einhergehend mit einer stärkeren Abkühlung in Zentral- und Osteuropa und einer abgeschwächten entlang der atlantischen Küste, durch das Klimamodell gut erfasst werden. Auf der anderen Seite simuliert das Modell einen starken Rückgang der Lufttemperaturen über dem Nordatlantischen Ozean zusammen mit einer ausgedehnten Meereisbedeckung südlich Grönlands. Zusätzlich stellt sich ein geringerer Salzgehalt in den hohen Breiten des Nordatlantiks ein, welcher Parallelen zu der Großen Salinitätsanomalie aufzeigt. Des weiteren sind die Intensitäten des Golf- und Kuroshiostromes während des Späten Maunder Minimums abgeschwächt. Diese Abschwächung steht in Einklang mit einem reduzierten Antrieb durch den auf die Ozeanoberfläche einwirkenden Windschub.