An improved radiative forcing scheme for better representation of Arctic under-ice blooms

Abstract

In the present study, a newly designed radiative forcing scheme, i.e., impulsive radiative forcing scheme (IRFS), is applied in the one-dimensional Regional Ocean Modeling System-Carbon Silicate Nitrate Ecosystem (ROMS-CoSiNE) model to reproduce under-ice phytoplankton blooms (UIBs) in the Arctic Ocean. The model results obtained with the IRFS and the traditional continuous radiative forcing scheme (CRFS) are compared with observations of an UIB north of Svalbard. It is found that, the new IRFS performs much better than the traditional CRFS with lower biases, lower root-mean-square difference (RMSD), and a higher correlation coefficient (r), especially at the near-surface layer of the water column (0–15 m). It is also found that in the simulations with the CRFS, the UIB started earlier and maximum chlorophyll concentration was more than twice the observed data. However, the UIB with the IRFS is similar to observations in terms of UIB timing and magnitude. Since the IRFS allows more solar radiation to penetrate through the upper water column, phytoplankton growth is supported at greater water depth (10–40 m). Therefore, this model reproduces a deeper phytoplankton bloom and corresponding deepened subsurface chlorophyll maxima, which agrees well with the observations. Additionally, the introduction of melt ponds into the IRFS model plays a vital role in accelerating spring UIBs because ponded ice can transmit more light. However, the magnitude of integrated chlorophyll-a hardly changes between the model runs with and without melt ponds. This study proposes a more accurate averaging of the light field that simply changes the averaging procedure to take into account horizontal light variability at the sub-grid scale and provides an approach to improve radiative forcing scheme in the Pan-Arctic model case.

Forbedret representasjon av lysforhold i Polhavet under variabelt isdekke Med et tynnere isdekke i Polhavet er det forventet av lysforholda i vannsøylen under havisen endres. Dette påvirker eksempelvis lysmengden som er tilgjengelig for primærproduksjon av fytoplankton. Riktig representasjon av lys i klimamodeller er dermed viktig for å forutsi hva som skjer i fremtidens polhav. Studien er motivert med bakgrunn i observasjoner fra den NP-ledete N-ICE2015-ekspedisjonen i Polhavet nord for Svalbard. Her observerte vi en oppblomstring av fytoplankton under sjøis med tykt snødekke, noe som ikke er observert tidligere. Målsetningen for studien var å forbedre representasjonen av lysforhold i hav dekket med sjøis slik at vi bedre kan modellere mulige algeoppblomstringer under havis. I studien utviklet vi en forbedret metode for å beskrive lysforhold i havet under isdekket, og som i større grad tar i betraktning at isdekket er veldig variabelt, med ulike typer is av ulik tykkelse, ulik tykkelse av snødekke, og en del åpne råker. Tradisjonelt har man brukt en metode som beregner middelverdien av lysforholdene over et stort område. Dette medfører at ekstreme lokale forhold, som åpne råker som bidrar til mye lys ned i havet, ikke tas i betraktning. Vi utviklet en ny metode hvor primærproduksjon blir beregnet for hver enkelt overflatetype, og for derved å kunne beregne total produksjon. Studien viser at vi på denne enkle måten bedre kan forutsi algeoppblomstring når isoverflatens variabilitet og mengden åpent vann i råker tas mer realistisk i betraktning.