Schwächt die AMOC sich ab? Ja? Nein? Doch?

In den Medien gab es in letzter Zeit einiges Hin und Her über die Verlangsamung der AMOC. Die Spannbreite reichte von “kurz vor dem Zusammenbruch” bis “stabiler als bisher angenommen”. Die Abkürzung AMOC (für Atlantic Meridional Overturning Circulation) bezieht sich dabei auf die atlantische Umwälzzirkulation. Das ist eine der wichtigsten Ozeanströmungen der Welt, die den nördlichen Atlantikraum (einschließlich Europa) für seinen Breitengrad außergewöhnlich warm hält. Was steckt also hinter den aktuellen Medienberichten?
Wissenschaft ist wie ein riesiges Puzzle, bei dem jedes neue Teil einen kleinen Beitrag zum Gesamtbild leistet, meist ohne das Bild dramatisch zu verändern – auch wenn Medienberichte gerne mal diesen Eindruck vermitteln.

Die jüngste Nachricht ist eine neue Rekonstruktion der Veränderung der AMOC in den letzten 60 Jahren von Jens Terhaar und Kollegen. Der Hintergrund dieser Diskussion ist unseren regelmäßigen Lesern bekannt (ansonsten geben Sie einfach “AMOC” in das KlimaLounge-Suchfeld ein): Genaue Messungen der AMOC-Strömung sind erst seit 2004 im Rahmen des RAPID-Projekts verfügbar, sodass wir für frühere Zeiten auf indirekte Hinweise zurückgreifen müssen. Einer davon ist der “Fingerabdruck” der Meeresoberflächentemperatur von AMOC-Änderungen, wie in unserer Studie Caesar et al. 2018 (Abb. 1) diskutiert. Dort haben wir die als „Cold Blob“ bekannte Temperaturanomalie (Nov-Mai) als Index für die AMOC-Stärke verwendet. Andere Studien haben andere Muster der Meeresoberflächentemperatur oder des Salzgehalts sowie paläoklimatische Proxydaten (z. B. Sedimentkorngrößen) genutzt und im Allgemeinen einen Rückgang der AMOC seit dem 19. Jahrhundert festgestellt, der von dekadischen Schwankungen überlagert wird. In der neuen Arbeit wird unsere Rekonstruktion (d. h. die von Caesar et al.) kritisiert und eine neue Methode vorgeschlagen, bei der Oberflächenwärmeflüsse aus Reanalysedaten als Indikator für die Stärke der AMOC verwendet werden.

Hier sind drei Fragen dazu.
1. Eignet sich die Kälteblase gut als AMOC-Indikator?
Wir hatten dies in den historischen Läufen von 15 verschiedenen CMIP5-Klimamodellen in Caesar et al. 2018 (unsere Abb. 5) getestet und festgestellt, dass es sehr gut funktioniert, mit Ausnahme von zwei Ausreißermodellen, von denen bekannt war, dass sie keine realistische AMOC erzeugen. Jetzt haben Terhaar et al. diesen Test mit der neuen CMIP6-Modellgeneration wiederholt und festgestellt, dass er weniger gut funktioniert, d.h. die Unsicherheit ist größer (obwohl für zukünftige Simulationen, bei denen die AMOC in den Modellen einen signifikanten Rückgang zeigt, unser AMOC-Index auch in ihrer Analyse gut funktioniert).
Das wirft die Frage auf: Welche Modelle sind für diesen Zweck besser geeignet: CMIP5 oder CMIP6? Man könnte meinen, dass neuere Modelle besser sind – aber das scheint bei CMIP6 nicht der Fall zu sein. Unabhängig von der AMOC sorgten die CMIP6-Modelle für erhebliche Kontroversen, als ihre Ergebnisse herauskamen: Die Klimasensitivität einer Untergruppe von “heißen Modellen” war viel zu hoch, diese Modelle reproduzierten die vergangene Temperaturentwicklung nicht gut (im Vergleich zu den Beobachtungsdaten), und der IPCC machte den beispiellosen Schritt, zukünftige Projektionen nicht mehr als einfachen Modelldurchschnitt plus/minus Modellstreuung darzustellen, sondern verwendete stattdessen das neue Konzept einer “assessed global warming“, bei der die Modelle danach gewichtet werden, wie gut sie die Beobachtungsdaten reproduzieren.
Im Nordatlantik reproduzieren die historischen Läufe der CMIP6-Modelle im Durchschnitt nicht den Cold Blob, obwohl dies ein besonders auffälliges Merkmal der Beobachtungsdaten ist, wie in der Zusammenfassung für politische Entscheidungsträger des IPCC AR6 deutlich gezeigt wird (siehe Abb. 2 unten). Von den 24 CMIP6-Modellen unterschätzen ganze 23 die Abkühlung der Meeresoberfläche im “Cold Blob”. Und die meisten CMIP6-Modelle zeigen sogar eine Verstärkung der AMOC in der historischen Periode, die, wie frühere Studien gezeigt haben, in vielen dieser Modelle an einem zu starken Aerosolantrieb liegt (z. B. Menary et al. 2020, Robson et al. 2022). Die historische Temperaturentwicklung der nördlichen Hemisphäre in den Modellen mit starkem Aerosoleffekt “stimmt nicht mit den Beobachtungen überein”, und sie “simulieren das falsche Vorzeichen des subpolaren nordatlantischen Oberflächensalzgehalts”, wie Robson et al. schreiben. Daher halte ich die CMIP6-Modelle für weniger geeignet, um zu testen, wie gut der “Cold Blob” als AMOC-Indikator funktioniert, als die CMIP5-Modelle.

2. Ist die neue AMOC-Rekonstruktionsmethode besser?
In den CMIP6-Modellen sieht es so aus, und die Verbindung zwischen dem AMOC-Wärmetransport und dem Wärmeverlust an der Oberfläche nach Norden macht physikalisch Sinn. Allerdings ist in den Modellen der Wärmeverlust an der Meeresoberfläche genau bekannt. Im realen Ozean ist dies keine beobachtete Größe. Sie muss aus Modellsimulationen, den so genannten Reanalysen, entnommen werden. Bei diesen Simulationen werden zwar Beobachtungsdaten berücksichtigt, doch handelt es sich dabei für den größten Teil der Ozeanoberfläche im Wesentlichen um die Meeresoberflächentemperaturen. Der Wärmeverlust an der Oberfläche hängt jedoch auch von der Lufttemperatur, der Windgeschwindigkeit, der Luftfeuchtigkeit, der Strahlung und der Wolkenbedeckung ab, die allesamt nicht genau bekannt sind. Daher sind diese Daten zum Wärmeverlust an der Oberfläche viel ungenauer als die Daten zur Meeresoberflächentemperatur und meiner Meinung nach nicht gut geeignet, um die zeitliche Entwicklung der AMOC zu rekonstruieren.
Dies wird durch die Tatsache unterstützt, dass zwei verschiedene Reanalysedatensätze verwendet wurden, die zu ziemlich unterschiedlichen AMOC-Rekonstruktionen führten. Auch die von Terhaar et al. gefundene zeitliche Entwicklung der AMOC unterscheidet sich von anderen Rekonstruktionsmethoden für denselben Zeitraum (siehe Punkt 3).
Und es gibt noch ein weiteres Fragezeichen: Wir haben uns schon früher den Trend des ERA5 Wärmeverlusts an der Meeresoberfläche angesehen, wie hier aus meinem Artikel in Oceanography 2024 gezeigt:

Man sieht in beiden Abbildungen (sowohl bei der Temperatur als auch beim
Oberflächenwärmefluss) klar den “Fingerabdruck” der AMOC-Verlangsamung, sowohl die “Kälteblase” als auch eine Erwärmung entlang der amerikanischen Küste aufgrund einer Verschiebung des Golfstroms nach Norden, die ebenfalls ein Symptom der AMOC-Abschwächung ist. Terhaar et al. integrieren jedoch den gesamten Nordatlantik nördlich von 26°N, so dass der rote Bereich mit zunehmendem Wärmeverlust den blauen Bereich mit abnehmendem Wärmeverlust weitgehend ausgleicht. In ihrer Analyse heben sich diese beiden Dinge also weg, während im etablierten Konzept des “Fingerabdrucks” beide Dinge als Beleg für eine Abschwächung der AMOC gelten (siehe Zhang 2008: Coherent surface-subsurface fingerprint of the Atlantic meridional overturning circulation).

3. Wie vergleichen diese neuen Rekonstruktionen sich mit anderen?
Hier der Vergleich der Terhaar-Rekonstruktionen (die beiden unteren):

Die untere Rekonstruktion, die ein Reanalyseprodukt aus Japan verwendet, ähnelt keiner anderen, während die blaue Rekonstruktion, die die europäische ERA5-Reanalyse verwendet, zumindest das Minimum der 1980er und das Maximum der frühen 2000er Jahre mit anderen Daten gemeinsam hat, wenn auch mit viel geringerer Amplitude; sie ist viel glatter. Damit fehlt auch der starke AMOC-Abfall 2004-2010 und die anschließende teilweise Erholung, die in den RAPID-Messungen sowie in den Caesar- und Worthington-Rekonstruktionen zu sehen ist.
Ein Hauptgrund für das Fehlen eines signifikanten Trends in den Terhaar-Rekonstruktionen ist das von ihnen verwendete Zeitintervall; für die gleiche Zeitspanne zeigt die Caesar-Rekonstruktion ebenfalls keinen auch nur annähernd signifikanten Trend (der p-Wert beträgt unter 0,5), so dass unsere Rekonstruktionen in dieser Hinsicht sogar konsistent sind für den Zeitraum, in dem sie sich überschneiden. Die Tatsache, dass unsere Rekonstruktion einen signifikanten Rückgang der AMOC zeigt, ist auf eine stabile AMOC in den Jahren 1900-1960 zurückzuführen, die stärker ist als in den dann folgenden sechzig Jahren. Hier zeigt sich der Vorteil unserer Rekonstruktionsmethode, denn es gibt zuverlässige und genaue Daten zur Meeresoberflächentemperatur, die bis ins 19. Jahrhundert zurückreichen.
Daher glaube ich nicht, dass der neue Versuch, die AMOC zu rekonstruieren, zuverlässiger ist als frühere Methoden, die auf Temperatur- oder Salzgehaltsmustern, auf Dichteänderungen in der Region des Cold Blobs oder auf verschiedenen paläoklimatischen Proxydaten beruhen, und die zu dem Schluss gekommen sind, dass es eine Abschwächung gibt. Da wir jedoch keine direkten Strömungsmessungen haben, die weit genug in die Vergangenheit zurückreichen, bleibt eine gewisse Unsicherheit bestehen. Die neue Studie ändert jedoch nichts an meiner Einschätzung der AMOC-Abschwächung.
Und nicht zuletzt sind sich alle einig, dass sich die AMOC als Reaktion auf die globale Erwärmung in Zukunft abschwächen wird und dass dies ein ernsthaftes Risiko darstellt, unabhängig davon, ob diese Abschwächung in den begrenzten Beobachtungsdaten, die uns zur Verfügung stehen, bereits aus den natürlichen Schwankungen hervorsticht oder nicht. Daher der offene Brief von 44 Experten, der im Oktober auf der Polarkreisversammlung vorgestellt wurde (siehe Video meines dortigen Plenarvortrags), in dem es heißt:

Wir, die Unterzeichnenden, sind Wissenschaftler, die auf dem Gebiet der Klimaforschung tätig sind, und halten es für dringend erforderlich, den Nordischen Ministerrat auf die ernste Gefahr einer großen Änderung der Ozeanzirkulation im Atlantik aufmerksam zu machen. Eine Reihe wissenschaftlicher Studien der letzten Jahre deutet darauf hin, dass dieses Risiko bisher stark unterschätzt wurde. Eine solche Änderung der Ozeanzirkulation hätte vor allem für die nordischen Länder, aber auch für andere Teile der Welt, verheerende und unumkehrbare Auswirkungen.

Post-Skriptum
Da ich manchmal danach gefragt werde: Letztes Jahr hat eine Datenstudie von Volkov et al. den Verlangsamungstrend des Florida-Stroms und der AMOC revidiert. Im Gegensatz zu den Behauptungen der “Klimaskeptiker” hat dies keinen Einfluss auf unsere langfristige Schätzung der Verlangsamung von ~3 Sv seit 1950, d.h. -0,4 Sv/Dekade (Caesar et al. 2018). Sowohl die ursprünglichen als auch die revidierten Trendschätzungen für die RAPID-Daten (siehe Abbildung) deuten darauf hin, dass die jüngste AMOC-Abschwächung seit 2004 steiler ist als der von uns geschätzte langfristige Trend.