Illustration of the model domains and model bathymetry of the coupled modelling system

Vorhersagen und Sensitivitätsstudien

Um die Reaktion der Nord-/Ostseeregion hinsichtlich der Kohlenstoffspeicherkapazität für gegenwärtige und zukünftige klimatische Bedingungen und mögliche anthropogene Störungen zu simulieren, wird ein gekoppeltes hydrodynamisch-biogeochemisches Modellsystem entwickelt. Im Einzelnen werden wir Bilanzen der organischen Materials, der Nährstoffe, der Gesamtalkalinität (TA) und des gelösten anorganischen Kohlenstoffs (DIC) für die Region Nordsee/Ostsee abschätzen.

Veranschaulichung der Modellgebiete und der Modelltopographie des gekoppelten Modellsystems.

Veranschaulichung der Modellgebiete und der Modelltopographie des gekoppelten Modellsystems.

Das Modelsystem umfasst das strukturierte Gitter Modell GETM, das die gesamte Nord- und Ostsee abdeckt (NS-BS-Modell), und das unstrukturierte Gitter Modell FVCOM, das das Wattenmeergebiet (WS-Modell) innerhalb der südlichen Nordsee abdeckt. Wie in der untenstehenden Abbildung dargestellt, werden in jedem der beiden Modellsysteme verschiedene Submodule für Biogeochemie, Schwebstoffe und Oberflächenschwerewellen enthalten sein, für deren Kopplung u.a. das FABM-Toolkit verwendet wird. Schließlich werden das NS-BS-Modell und das WS-Modell mit Hilfe der Modellkopplungssoftware ESMF (Earth System Modeling Framework) in einer Art Zwei-Wege-Nesting gekoppelt. In der untersten Abbildung sind die im Biogeochemiemodell ERGOM enthaltenen Prozesse näher dargestellt. ERGOM

Darstellung der Wechselwirkungen zwischen dem Nord-/Ostseemodell (NS-BS) und dem Wattenmeermodell (WS) einschließlich ihrer Submodule für Biogeochemie, Schwebstoffe und Oberflächenschwerewellen.

Darstellung der Wechselwirkungen zwischen dem Nord-/Ostseemodell (NS-BS) und dem Wattenmeermodell (WS) einschließlich ihrer Submodule für Biogeochemie, Schwebstoffe und Oberflächenschwerewellen.

Interaktionsdiagramm des Biogeochemie-Submoduls ERGOM

Interaktionsdiagramm des Biogeochemie-Submoduls ERGOM

Referenzen

Hydrodynamisch-biogeochemisches Modell für das Nordsee-Ostsee Kontinuum

Im Rahmen von Arbeitspaket 3.1 wird ein ausgetestetes hydrodynamisch-biogeochemisches gekoppeltes Modell für die Nordsee (NS) und die Ostsee (OS) basierend auf GETM und ERGOM entwickelt. Dieses Modellsystem wird bidirektional gekoppelt mit dem hochauflösenden hydrodynamisch-biogeochemisches Modell FVCOM / ERGOM für das Wattenmeer (WM). Mit diesem Gesamtsystem werden wir CO2-relevante Prozesse in Raum und Zeit integrieren und analysieren.

Um die Modellsysteme GETM-ERGOM (NS-OS) und FVCOM-ERGOM (WM) bidirektional zu koppeln, soll das Softwarepacket ESMF (Earth System Modeling Framework) eingesetzt werden, welches in FVCOM als auch in GETM implementiert ist.

Ziel ist es ein Hindcast für den Zeitraum 1995-2020 zu generieren, der als Referenzlauf genutzt wird. Für diesen Zeitraum existieren Antriebsdatensätze in sehr guter Qualität: für die Atmosphäre COSMO-REA6 (Bollmeyer et al., 2015), Flußeinträge, sowie Randdaten für den Nordatlantik (NEMO-ERSEM, 7km, Marine Copernicus Service). Für das Gebiet der Nordsee wird der Referenzlauf mit Daten der biogeochemischen Klimatologie der Nordsee validiert.

Bilanzierung von Schlüsselkomponenten

Für jedes der Gebiete (NS, OS, WM) werden wir Bilanzen von organischem Material, Nährstoffen, TA und DIC erstellen. Dies schließt Flüsse über Modellgrenzen ein. Die zugehörigen simulierten Respirationsflüsse (CO2 und TA) werden abgeschätzt für unterschiedliche Klimaszenarien und unterschiedliche direkte anthropogene Maßnahmen, die sich ausdrücken in variablen Flussfrachten, Änderungen des Meeresspiegels, Variationen der Windcharakteristik sowie atmosphärischer Deposition.

Neue Parametrisierung von Prozessen im Karbonatsystem

Mit Hilfe von Ergebnissen aus Arbeitspaket 1 und 2 wird eine Bilanz der Gesamtalkalinität (TA) erstellt, die die TA erzeugenden Prozesse des Sediments, des Wattenmeeres sowie die sich ändernden landseitigen TA-Abflüsse berücksichtigt. Die Balance zwischen simulierter Respiration und TA-Generierung bestimmt dabei den CO2-Austausch mit der Atmosphäre. Um dies besser im Modellsystem abbilden zu können, sollen die folgenden neuen Prozesse und Parametrisierungen in ERGOM implementiert werden:

  • Überarbeitung der die Alkalinität modifizierenden Prozesse in Pelagial und Sediment
  • Überprüfung/Implementierung der DOM-Alkalinitäts-Dynamik
  • Erweiterung C-Kreislaufs um 13C
  • Einführung von Kalkschalen-Bildnern und Auflösung von Kalkschalen

Für die geplanten Erweiterungen des ERGOM-Modells ist Arbeitspaket (AP) 3 auf die Ergebnisse und Zuarbeiten, sowie die Zusammenarbeit mit AP 1 und AP 2 angewiesen.

  • Die Alkalinitätssensitivität des Modells wird im Bereich der Ostsee durch die Studien in AP1.1 wesentlich verbessert. Die Flussdaten werden aktualisiert und die pCO2 Ergebnisse des Modells werden mit den gemessenen pCO2-Zeitserien verglichen. Dies dient einer weiteren Kalibrierung des Modells.
  • Die Beobachtungen im Bereich des Ostfriesischen Wattenmeeres (AP 1.2) unterstützen die Kalibrierung des Modellsystems, welches gerade in diesem Seegebiet von einer besonderen Dynamik geprägt ist. Gerade die hochfrequenten Daten vom Messpfahl Spiekeroog sowie präzise und hochaufgelöste schiffsgestützte Transektdaten des NLWKN sind damit von großer Bedeutung.
  • Sowohl die Feldmessungen als auch die Laborexperimente in AP 1.3 tragen dazu bei, abhängig vom Sedimenttyp und anderen Umweltbedingungen, den Austausch zwischen Porenwasser und dem Pelagial im Modell zu kalibrieren. Dies betrifft nicht alleine den physikalischen Austausch, sondern insbesondere den Austausch von Kohlenstoff, Alkalinität, organischen Partikeln und Nährstoffen.
  • Die Messungen in AP 1.4 zum Gasaustausch können bestehende Bulk-Formulierungen für den Gasaustausch an der Ozean-Atmosphärengrenze verbessern. Insbesondere in Relation zur Entfernung zur Küste sind diese relevant, da die hergebrachten Bulk-Formulierungen eher für die offene See gelten.
  • Im Bereich der Nordsee sind gängige Verhältnisse zwischen vergrabenem Kohlenstoff („burial“) und vertikal exportiertem Kohlenstoff ca. 1%. Diese sehr grobe Abschätzung wird in AP 1.5 verfeinert und wird damit gerade im Küstenbereich dazu beitragen die Variationen der Modellergebnisse in diesem Bereich einzuschränken.
  • Die Isotopen-Messungen in AP 2.1 im Sediment tragen dazu bei, die Kohlenstoff- und Alkalinitäts-Bilanz des Modells zu verbessern. Die Modellierung der stabilen Isotope wird durch diese Messungen kalibriert.
  • Die Auflösung von Kalzit erfolgt in flachen Gewässern wie Nordsee und Ostsee nur biologisch bedingt. Bisher enthält das Modell diesen Prozesses nicht. Durch die Messungen in AP 2.2 wird die zu entwickelnde Parameterisierung verbessert, und Umweltbedingungen können dann diesen Prozess im Modell steuern.
  • Die simulierten beckenweiten pH-Werte und Alkalinitätskonzentrationen im Sediment können die Arbeiten in AP 2.3 durch Inter- bzw. Extrapolation der Spurenstoffkonzentrationen zu mehr Aussagekraft bringen.

Sensitivitätsläufe und Bewertung

Mit diesen Studien soll die Sensitivität des gekoppelten Systems auf zu erwartende Veränderungen hinsichtlich der Kohlenstoffspeicherkapazität untersucht werden. Dabei werden regionale (z.B. Einträge) und globale (z.B. Erwärmung) Drücke berücksichtigt.

Verschiedene Modellläufe, die die Quellen aus Flüssen und atmosphärischer Deposition berücksichtigen, werden oligotrophe und/oder eutrophierte Bedingungen widerspiegeln. Dabei werden die verschiedenen DOC-Reservoire in Verbindung mit diesen Sensitivitätsläufen befüllt und unterschiedliche Exportmengen
und/oder Abbauraten analysiert. Ergebnisse der Studien mit stabilen Isotopen (AP1 und AP2) sollen Unsicherheiten der Kohlenstoff- und Stickstoffumsätze beschränken.
Auch wenn für die Nordsee und die Ostsee identische Annahmen für zukünftige Veränderungen zu treffen sind, haben sie dennoch verschiedene Auswirkungen auf die Einzelsysteme.

Projektionen zu Meeresspiegelveränderungen werden im Watt großen Einfluss auf die Hydrodynamik haben. So werden sich unter anderem die Gezeitenkomponenten M2 und M4 verschieben, welche die gezeitengetriebenen Residualströmungen im Watt kontrollieren. Außerdem werden sich wahrscheinlich die Wellenhöhen im Rückseitenwatt erhöhen, bedingt durch weniger tiefen-induziertes Wellenbrechen. Bedingt durch die exponierte Westwindlage der friesischen Inseln werden Veränderungen in Windrichtung und Windgeschwindigkeit einen direkten Einfluss auf die Gezeitenkanäle und den Wasseraustausch im Watt haben. Durch die vor Westwind geschützte Lage werden diese Faktoren einen eher geringen Einfluss auf die deutsche Ostseeküste haben. Für die Ostsee werden eher Veränderungen in Abflüssen und Nährstofffrachten entscheidend sein. Veränderungen des mittleren Wasserstandes oder der Windgeschwindigkeiten werden einen indirekten Einfluss durch Veränderungen in der Tiefenwasserbildung und den Salzwassereinbrüchen haben.

Auch wenn die verschiedenen Systemantworten der Hydrodynamik von Ostsee und Nordsee schon relativ klar umrissen werden können, sind Veränderungen in der Biogeochemie zum Beispiel im Kohlenstoffkreislauf schwer abzuschätzen.

Um dem Rechnung zu tragen, werden wir verschiedene Sensitivitätsläufe zu möglichen Veränderung durchführen. Wir werden Randwerte und Eingangsdaten zum bestehenden Referenz-Hindcast aus AP3.1 so verändern, dass die Auswirkungen einzelner möglicher zukünftiger Klimafaktoren auf die Kapazität der Kohlenstoff Speicherung quantitativ erfasst werden. Ziel ist es hier einen Katalog zu erstellen, in dem die Systemantworten für z.B. einen Meeresspiegelanstieg von 50 cm/Jahrhundert, eine Zunahme der Windgeschwindigkeit von 5%, oder eine Zunahme der mittleren Lufttemperatur von 2 K/Jahrhundert beschrieben sind. Somit können für verschiedene zukünftige Annahmen die möglichen Veränderungen im Kohlenstoff Speicher quantifiziert und für Planungsaufgaben genutzt werden. Die endgültigen Sensitivitätsläufe werden in enger Abstimmung mit AP4.1 und AP4.3 entwickelt. Der angesprochene Katalog der Systemantworten wird unter der Annahme von geringen Interaktionen zwischen den unterschiedlichen Modellläufen mit Hilfe eines Bayesschen Netzes aufbereitet und kann dann in AP4.3 als interaktives Werkzeug von Entscheidungsträgern genutzt werden.

In der folgenden Tabelle sind mögliche Sensitivitätsläufe aufgeführt. Die genaue Definition der Sensitivitätsläufe (in Umfang, Anzahl, zu variierende Parameter) wird final auf dem Kick-off Treffen vom Konsortium bestimmt. Außerdem werden noch in Abstimmung mit AP4 zusätzliche Parametervariationen/Wünsche der Stakeholder aufgenommen. Im Folgenden listen wir mögliche Parametervariationen und Sensitivitätsläufe auf:

ParameterVeränderungen
Meeresspiegelanstieg (F3, F7)1. 0.50m / Jahrhundert
2. 0.75m / Jahrhundert
3. 1.00m /Jahrhundert
Wind (F3)1. Zunahme der mittleren Windgeschwindigkeit um 5%
2. Zunahme der Starkwinde
3. Veränderung der mittleren Windrichtung um 10°
Anstieg der Lufttemperatur (F7)1. +1 K / Jahrhundert
2. +2 K / Jahrhundert
3. +4 K / Jahrhundert
4. Stärkere Zunahme der Wintertemperatur
5. Stärkere Zunahme der Sommertemperatur
Abflüsse (F7)1. Veränderungen im Jahresgang (nassere Winter und trockenere Sommer)
2. Variation des Jahresabfluss um 5%
Kohlenstoff (F7)1. Eintrag durch den Nordatlantik
2. Flussfrachten
Stickstoff1. Eintrag durch den Nordatlantik (F7,F8)
2. Flussfrachten (F1,F8)
3. atmosphärische Deposition (F9)
Phosphor1. Eintrag durch den Nordatlantik (F7,F8)
2. Flussfrachten (F1)
Silikat1. Flussfrachten (F1)
Alkalinität1. Flussfrachten (F7,F8,F9)
Organisches Material1. Flussfrachten (F8,F9)
2. Import ins Wattenmeer (F6)

Quantifizierung der DOS Quellstärken und der Verteilung von Ra-Isotopen

Um die Eintragsmengen gelösten organischen Schwefels (DOS) in die Nord- und Ostsee zu quantifizieren und die Verteilung verschiedener Ra-Isotope (223Ra, 224Ra, 226Ra, 228Ra) in der Nord- und Ostsee zu ermitteln, werden diese Spezies in den ERGOM Modulen beider Modellsysteme (NS-OS bzw. WS) als passive tracer mit möglicher Zerfallsdynamik sowie potentiellen Quellen/Senken implementiert. Somit kann insbesondere die in AP1.3 angedachte Bestimmung der Quellstärken des DOS aus anoxischen/suboxischen Bereichen der Wassersäule innerhalb der Ostsee sowie aus sulfidischen Sedimenten der Nordsee und des Wattenmeeres mit Hilfe von Modellsimulationen unterstützt werden (Beitrag zu Schlüsselfrage F5). Weiterhin können die in AP 1.2 geplanten Tracer Studien zur Ermittlung der TA Dynamik durch die explizite Modellierung der erwähnten Ra-Isotope begleitet und unterstützt werden (Beitrag zu Schlüsselfrage F9).

Um die DOS-Quellstärken zu bestimmen, wird - analog zur Methode der Greensfunktionen zur Lösung linearer inhomogener partieller Differentialgleichungen für Punktquellen - in einem ersten Schritt mit Hilfe der Modellsysteme die quasi-stationäre Verteilung dieser Spezies in Nord- und Ostsee für einzelne Quellorte (z.B. im Wattenmeer oder in den anoxischen/suboxischen Becken der Ostsee) aufgrund von Einheitseinleitungen bestimmt. In einem zweiten Schritt kann dann auf der Grundlage dieser Simulationen und mit Hilfe der quantitativen Messungen dieser Spezies in AP 1.3 an unterschiedlichen Orten in Nord- und Ostsee mit einem inversen mathematischen Verfahren die Quellstärken für diese einzelnen Quellorte ermittelt werden. Für diese inverse Modellierung werden dann etwa ab dem 18. Projektmonat entsprechende Algorithmen in Matlab implementiert, so dass diese zur Quantifizierung der Quellstärken einsatzbereit sind, sobald sowohl die Modellsimulationen als auch die Messungen aus AP 1.3 zur Verfügung stehen.

Um die Verteilungen der Ra Isotope zu bestimmen, werden diese in die entsprechenden ERGOM Module des NS-OS bzw. des WS Modellsystems implementiert. Für die Angabe der Quellstärken der Ra Isotope in den betrachteten Modellregionen werden sowohl bekannte Quellstärken sowie neue Messungen derselben aus AP 1.2 verwendet. Auf der Grundlage dieser Quellstärken werden dann die Ra-Verteilungen für ausgewählte externe Antriebsbedingungen in Nord- und Ostsee simuliert. Dies ermöglicht es, autochthone und allochthone TA betreffende Prozesse zu diskriminieren.


Kontakt


Dr. Karsten Lettmann Koordinator Arbeitspaket 3

Institut für Chemie und Biologie des Meeres

Tel: +49 441 798 4061

E-Mail Kontakt
Dr. Ulf Gräwe Koordinator Arbeitspaket 3

Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde

Tel: +49 381 5197 358

E-Mail Kontakt