Andreas
Moll
Institut für Meereskunde
Hamburg
1995
Abstract
A biological one-dimensional water column model for the simulation of the annual cycles of the phytoplankton dynamics and a physical transport model are coupled into a three-dimensional primary production model to estimate the annual primary production of the North Sea and its regional differences. The simulations are driven with actual forcing: Taking into account monthly river loads from 14 rivers, daily velocities and diffusivities from a baroclinic North Sea model, and solar radiation calculated every 30 minutes. The high variability of the forcing generates a considerable variability in the physical and biological dynamics. The simulated annual cycles of chlorophyll, phosphate and daily net primary production are validated with available data from different years in the sense that the simulated single year can be compared to the measured variability. Such comparisons show that the simulation reproduces the general features of annual phytoplankton cycles in terms of chlorophyll and the triggering nutrient phosphate. This establishes confidence in the calculated annual primary production of the North Sea area. The simulation of 1986 yields an integrated annual water column net production ranging between 92 and 345 gram carbon per square meter and year for the different regions. The annual production agrees quite well with the general quantitative knowledge of the total yearly production, except for the British coast where the production is overestimated due to lacking inorganic suspended matter attenuation.
Moll, Andreas (1995) Regional distribution of primary
production in the North Sea - simulated by a three-dimensional model (In
German), Berichte aus dem Zentrum für Meeres- und Klimaforschung,
Reihe B: Ozeanographie, Nr. 19, 151 pp. Address: Institut für Meereskunde,
Universität Hamburg, Troplowitzstr. 7, 22529 Hamburg, Germany.
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Ziel dieser Arbeit war es, ein drei-dimensionales Primärproduktionsmodell
für die Nordsee vorzustellen und mit Hilfe des Modells die jährliche
Primärproduktion regional zu quantifizieren.
Dazu wurden ein Primärproduktionsmodell (Radach
und Moll 1993) und ein horizontales Transportmodell (Pohlmann 1991) zu
einem drei-dimensionalen Primärproduktionsmodell gekoppelt. Im Modell
wird die Phytoplanktonproduktion durch das Lichtangebot, den steuernden
Nährstoff Phosphat und den vorgegebenen Zooplanktonfraß begrenzt.
Für die Simulation wurden aktuelle Antriebe des Jahres 1986 verwendet,
um den Einfluß von kurzzeitigen physikalischen Effekten bei der Primärproduktion
zu erfassen.
Die Validation des Modells erfolgte durch einen Vergleich
der simulierten Jahresgänge für Chlorophyll, Phosphat und tägliche
Nettoprimärproduktion mit aggregierten Meßdaten für die
15 ERSEM-Boxen in der Nordsee. Die simulierten Jahresgänge der geschichteten
nördlichen und zentralen Nordsee stimmen gut mit den gemessenen Monatsmedianen
überein. Die Jahresgänge in den Küstengebieten weichen teilweise
von den Messungen ab. Besonders in den Küstenboxen mit geringen Wassertiefen
tritt die Phytoplanktonblüte zu früh auf. Dies ist wohl auf zu
geringe Lichtattenuation zurückzuführen, da bisher terrigener
Schwebstoff im Modell nicht berücksichtigt wird. Die Phosphatjahresgänge
in den kontinentalen Küstenboxen erreichen nicht das gemessene Sommerminimum,
da die Phosphatremineralisation am Boden sehr einfach parametrisiert ist
und so eine zu starke Quelle darstellt. Dadurch werden die Sommerkonzentrationen
speziell vor der niederländischen Küste überschätzt.
Insgesamt zeigen die zusammengetragenen Datensätze,
daß das Modell die regionalen Strukturen der Phytoplanktondynamik
in er Nordsee gut abbildet. Es konnte beispielsweise die räumliche
und zeitliche Variabilität aufgelöst werden, die besonders in
den geschichteten Teilen der Nordsee die Phytoplanktodynamik bestimmt.
Die regionale Verteilung von Phytoplankton zeigt, daß
im Frühjahr die Phase der Phytoplanktonblüte von Südosten
nach Nordosten in die Nordsee hineinwandert. Die Migration der Blüte
erfolgt entlang des Tiefengradienten. Ausnahmen bilden die Gebiete im Bereich
der Doggerbank und der Norwegischen Rinne, in denen die Blüte bereits
zu Beginn des Frühjahres einsetzt. Vor der norwegischen Küste
kommt es beispielsweise zu einer intensiven Phytoplanktonblüte im
März aufgrund einer halinen Schichtung.
Im Modell bestimmt die Verfügbarkeit von Phosphat
neben dem Lichtangebot die regionale Phytoplanktondynamik. Die Phosphatzufuhr
wird im tiefen Wasser durch die Schichtungsverhältnisse kontrolliert.
Nach dem Einsatz der Blüte wandert die Phase der stärksten Phosphatzehrung
von Nordosten vor der norwegischen Küste (im April) westlich in die
zentrale Nordsee (im Mai) und erreicht im Juni die schottische Küste.
Die Dynamik in den flachen, durchmischten Küstengebieten
ist anders. In diesen Gebieten wird Phosphat durch die Remineralisation
am Boden und die Flußeinträge permanent in die Wassersäule
eingetragen. Die horizontale Advektion und Diffusion sorgen für eine
Verteilung der Nährstoffe und damit eine seewärts ausgedehnte
Zone verstärkter Produktion.
Die vom Modell berechnete regionale Verteilung der Primärproduktion
wurde großflächig in den ERSEM-Boxen zusammengefaßt. Dies
stellt derzeit die bestmögliche regionale Differenzierung zum Vergleich
mit gemessenen Primärproduktionsdaten dar (Van Beusekom und Diel-Christiansen,
1994).
Die vom Modell berechneten Jahresproduktionen von 98,
106 und 119 gC m-2 y-1 für die geschichtete
nördliche (Boxen 1 und 2) und zentrale Nordsee (Box 4) liegen unter
den gemessenen 125 gC m-2 y-1 in den Boxen 1 und
2, aber über der Abschätzung von 100 gC m-2 y-1
für Box 4. In den Boxen der schottischen (Box 6) und englischen Küste
(Box 7) werden die Jahresproduktionen um den Faktor zwei vom Modell überschätzt.
Mit dem Übergang zur südlichen Nordsee zeigt sich, daß
das Modell die ansteigenden Produktionsraten von der Doggerbank zum Rheindelta
und der Deutschen Bucht reproduzieren kann. Im Gebiet der Doggerbank (Box
5) wurden 161 gC m-2 y-1 simuliert und zwischen 119
und 147 gC m-2 y-1 gemessen. Vor der holländischen
Küste (Box 8) erreicht die simulierte Produktion Werte von 231 gC
m-2 y-1 bei 199 bis 221 gemessenen gC m-2
y-1 . Die größte Jahresproduktion in der Nordsee
wird in der Deutschen Bucht (Box 9) mit 233 gC m-2 y-1
vom Modell errechnet. Dies ist sehr nahe an den Messwerten von 240 bis
261 gC m-2 y-1 .
Im Gegensatz zu Wassersäulenmodellen konnte mit
dem drei-dimensionalen Primärproduktionsmodell der Einfluß der
horizontalen Transporte auf die Phytoplanktondynamik ermittelt werden.
Dies wurde durch eine Szenarienrechnung der lokalen Dynamik (begrenzt auf
eine Wassersäule ohne Austausch mit der Umgebung) erreicht, die mit
der drei-dimensionalen Dynamik verglichen wurde. Dabei hat sich gezeigt,
daß die horizontalen Transporte eine Verlagerung der Produktionszonen
von den Küstengebieten mit Flußeinträgen in den gesamten
kontinentalen Küstenstreifen bewirken. Die Wirkung der nichtlinearen
Transportterme zeigte sich am deutlichsten in einem Vergleich der berechneten
Nettoprimärproduktion.
Die Berücksichtigung der Transportterme führte
zu einer Steigerung der jährlichen Nettoprimärproduktion in allen
Teilen der Nordsee. Nur der zentrale Teil der nördlichen Nordsee,
in dem 1976 das FLEX Experiment stattfand, wurde in en Produktionswerten
nur wenig verändert. Dies erklärt, warum Untersuchungen mit Wassersäulenmodellen
dort so erfolgreich sind.
Mit dieser Arbeit liegt eines der einfachsten denkbaren
Modelle zur Untersuchung der Phytoplanktondynamik und des Phosphattransportes
in der Nordsee vor. Es verwendet einen sehr vereinfachten Phosphorkreislauf,
berücksichtigt lediglich zwei Zustandsvariable im Pelagial und hat
die denkbar einfachste Parametrisierung für die pelagische und benthische
Remineralisation, sowie für den trophischen Abschluß durch das
Zooplankton. Das Modell überzeugt durch die Ergebnisse trotz seiner
Einfachheit.
Moll, Andreas (1995) Regional distribution of primary production in the North Sea - simulated by a three-dimensional model (In German), Berichte aus dem Zentrum für Meeres- und Klimaforschung, Reihe B: Ozeanographie, Nr. 19, 151 pp. Address: Institut für Meereskunde, Universität Hamburg, Troplowitzstr. 7, 22529 Hamburg, Germany. Falls Sie eine Exemplar erhalten wollen senden Sie eine Email-Anfrage an mich und and klicken hier an.