Atmospheric and Ocean Modelling

This component of the course will introduce you to computer model analysis using python and jupyter notebooks. This component does not expect you to have any particular computing skills.

For this part of the practical we will use the ATOM software, short for Atmospheric and Ocean Modelling. ATOM is a so-called low-complexity Earth System software designed to enable the construction of simple and computationally inexpensive models for atmosphere and ocean circulation through geological time.  The  output  of ATOM for the  modern  Earth broadly matches observations, but due to its simplicity, ATOM cannot replicate the details of observed spatial patterns of wind and surface ocean circulation, temperature, precipitation and ocean salinity.  Models  that  are  able  to  replicate  these  patterns  run  for  many  months  on  a supercomputer. As part of your practical, you will investigate to what extent ATOM matches present-day observations, and what ATOM can tell us about the geological past. ATOM is not designed to model seasonal variations; instead it just produces long-term climate average maps.  ATOM  also  cannot  model  ocean  deep water  circulation;  it  models  surface  ocean circulation only. You will not need to run ATOM yourself.  We have run ATOM for you, and you merely need to explore and investigate the outputs of the ATOM model, for the last 50 million  years  in  5  my  intervals.  ATOM  uses  paleo-bathymetry  and  continental  paleo- topography grids as input, as climate, and paleo-climate depends strongly on the distribution of continents and oceans through time.

Work Plan

Use your Sydney Uni email address to log in athttps://edstem.org/

Click on the  “workspaces” icon  where you will  see the public GEOS2115 workspace

“Atmosphere and Ocean Circulation”:

Click on the workspace.  This will take you to its contents. You will see a number of files listed:

The    only    files    you    interact    with    are    two    so-called    “jupyter    notebooks”    called GEOS2115_present_day.ipynb and GEOS2115_past.ipynb.   For those of you entirely unfamiliar with these notebooks, you’ll find a “Quick Start Guide” here:

https://jupyter-notebook-beginner-guide.readthedocs.io/en/latest/what_is_jupyter.html

Jupyter notebooks are the modern equivalent of old-fashioned lab notebooks. They provide an interactive computational environment, in which you can run computer code, enter comments to remind yourself of what you have done, and make plots/maps . Plots and maps can easily be saved and imported in Microsoft Word documents.

The first thing you need to do is “fork” the workspace to create your own copy. Otherwise

you won’t be able to work with it. Click on the “fork” icon  . You can run the notebook

by using the “run all” button at the top of the page or you can run the notebook section by section by hovering your cursor over the number on the left hand side of a given cell and press play.  These sections are called “cells” .  By choosing “run all”, all cells of the notebook will be run one after another.  This is the quickest way to execute the entire notebook. Each cell will have a specific task, like performing some computation, or making a plot or map. Some cells just contain comments. Sometimes, you will not want to run the entire notebook again, but rather just run one cell, say after having changed a specific parameter that changes a map or a profile plot that’s generated by that cell.

Be aware that edstem will disconnect you if it does not get any input for a period. In general, you will not lose edits if this happens, but you may have to start running your notebook again from the beginning. All changes you make to the notebooks will be saved automatically, ie you don’t have to save them manually.  If you screw up your notebook, ie inadvertently remove      something that was not meant to be removed, the easiest way forward will be to start all over  by forking the original notebook again. This will not likely happen, as the changes you need to

make to the notebook are extremely small, and mainly confined to choosing variables before you make a plot.

Before you end a notebook session, press the “stop” button at the top right of the notebook:

Otherwise the notebook will keep on running on the remote computer even after you have        logged out and consume computer resources that would contribute to slowing things down for others. If your notebook “gets stuck” somehow, you can first press the stop button above,          followed by pressing the run button just to the left of it (circle with arrow).

Open the notebook GEOS2115_present_day.ipynb

Topography

The notebook starts with making a topography map. The distribution of land and oceans and land topography plays an important role on driving wind patterns and temperature gradients. Therefore global topography is an important boundary condition of our climate model.

Air / Surface Ocean Temperature

The “temperature maps” section of the notebook allows you to plot either air or surface ocean temperature. The notebook plots both an observed average surface temperature map of the Earth from NASA and a temperature map generated by our ATOM climate model.  You’ll see that the two are pretty similar, but our model is not perfect.  That’s because it is not a model that runs for a long time on a massive supercomputer, but just a simple model that can be run on a desktop or laptop computer.

The same is true for global precipitation maps.  Our code cannot reproduce the details of the NASA precipitation map, but gets the broad distribution of high and low precipitation belts right.

You might ask: Why do we bother running our simple climate model if we have such nice, detailed maps from NASA?  The answer is that, sadly, we have such detailed observed maps only for the present, and the very recent past. We neither have such maps for the geological past

(or the future). Therefore we depend on computer models to try to understand how the Earth evolved over longer time periods.

Now use the hash symbol (#) to comment out air temperature and activate ocean temperature instead:

Now run this cell again. You’ll obtain a modelled surface ocean temperature map.

Similarly, the notebook will generate surface wind and ocean current velocity maps, as well as a surface ocean salinity map.

Task 1 : Generate present-day temperature maps

Generate maps of air and surface ocean temperature globally, and save them so that you can use them for you report (by right-clicking on a given image and go to “save as” . You will be able to do this with other maps as well.

Task 2: Present-day transects across the Pacific, Atlantic and Indian Oceans

The notebook is designed to produce meridional (N-S running) transects of four key variables: (1) air temperature, (2) ocean temperature, (3) wind-driven surface ocean water speed (called ocean velocity in the notebook).

Choose three meridional transects through the Pacific, Atlantic and Indian oceans to plot and investigate the following variables with respect to latitude (i.e. the latitudinal dependence). We are interested in  all four variables in the “Plot of transect” cell:

All you need to do is specify the longitude and the “property name” (i.e. which model output to use) and the. Look at one of the maps to choose longitudes that roughly cross through the centre of the Pacific, Atlantic and Indian ocean basins, respectively. Save these 12 plots for your

report.  Put them together as a 3x4 image mosaic.

Answer the following questions:

1)  What  are  latitudinal  differences  in  air  temperature,  and  what  drives  them?  How different are air and ocean temperatures, and why are they different?

2)  What major differences do you observe between the three ocean basins (also look at the maps)?  Why are they different? (recall Ryan Holmes' lectures and pracs and the ocean conveyor belt  and refer to the book by Segar, 2018, and Trujillo and Thurman, 2010)

3)  Why is the Atlantic ocean at low latitudes more saline than the Pacific? Why is the Mediterranean so salty?

Once you are done with this notebook, choose “Kernel” from the menu and select “Shutdown” before you close the notebook.  This is important to save memory space on edstem. Failure to do this will slow things down for everyone running these exercises.

Task 3: Climate and ocean circulation change through time (0 to 50 million years ago)

Open  the  notebook  “GEOS2115_past.ipynb”.  This  notebook  will  allow  you  to  explore atmosphere and ocean circulation in the past. This notebook has the functionality to make maps of some different parameters from 0-50 million years ago, in 10 my intervals. It also allows you to track a given property through time. First run all cells in this notebook.  It will first create maps for 10 million years ago. You need to change the reconstruction time to make maps for other times. Maps can be made for any time from 0 to 50 million years ago in 10 million year intervals.

Let’s investigate how the modelled air temperature has changed over the last 50 million years along the south coast  of Tasmania.   In the “Plot through time” cell, enter the geographic coordinates of some place along southern Tasmania, say at 43 deg south (ie -43 deg) and 147 deg East.

Make three graphs tracking key variables (surface temperature, precipitation, and air velocity (speed) from 0 to 50 Ma. Also pick four other points in coastal cities around the globe, including India, New Zealand, Asia, Europe or the Americas and track them back through time, just looking at surface temperature change.

Make global maps of (1) surface ocean velocities and (2) ocean temperature for the last 50 million years in 10 my intervals and save them. Together with the transects, these will become the foundation for considering how the oceans and coasts have changed through time. For instance, these maps will allow you to investigate how the onset of the ACC expresses itself in changes in the Southern Ocean and adjacent continents (and the same holds for the opening and closing of other gateways). You can use both “plots through time” as well as “transect plots” (for different times) to explore changes in coastal regions and oceans through time).

Answer the following questions:

4)  What are the main changes in ocean gateways, globally (closure or opening) since 50 Ma? Name three, other than the Tasman Gateway, and very briefly explain their effect on ocean surface properties (the paper by Straume et al., 2020, should be especially helpful).

5)  Where do you find quite pronounced changes in surface temperature and precipitation in coastal regions since 50 Ma?  Identify and briefly discuss the coastal regions around the  globe  that  have  experienced  the  most  substantial  changes.  Explain  how these changes might relate to the opening and closing of ocean gateways, latitudinal motion of continents or climate change. Choose six key locations to carry out this analysis. Ensure that the locations you choose cover a variety of latitudes and environments – see list below.

6)  How does the geological past inform our assessment of future trajectories of the Earth? Which time  periods  are most  informative  in this  regard?  See  especially papers by Steinthorsdottir et al. (2021), Tierney et al. (2020) and Scotese et al. (2021).

I have created a list of coastal locations to choose from to investigate the nature and causes of coastal climate change through time.  Some parts of the ATOM precipitation maps have some artefacts (stripy patterns) – the locations below largely avoid these regions. The list includes a variety of different locations, from high to low latitudes, and including some islands far away from  large  continents.    Choose  your  locations  so  that  you  sample  a  variety  of different environments. When it comes to plotting ocean surface temperatures you need to move the location into the ocean, offshore a given coastal locality you have selected – otherwise this parameter will be zero.

City, longitude, latitude

Cape Town, South Africa, 18, -34

Brazzaville, Congo, 15, -4

Nairobi, Kenya, 37, -1

Galway, Ireland, -9, 53

Helsinki, Finland, 25, 60

Longyearbyen, Svalbard, Norway, 16, 78

Anadyr, Russia, 177, 65

Resolute, Cornwallis Island, Canada, -95, 75

Honolulu, Hawaii, USA, -158, 21

Azores, Portugal, 30, 39

Lima, Peru, -77, 12

Stanley, Falkland Islands, -57, -52

Heard Island, Australia, 73, -53

Macquarie Island, Australia, 159, -55

Attach global maps and x-y plots of your choice to back up your answers. Use references as appropriate. The papers cited below should be useful resources in answering the questions. As a guide, the answer to each question will require text between half a page and a page in length. There is no particular reference style to use, just be consistent. Feel free to find and include additional references to the ones given below.