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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-85248
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8524/


The influence of nitrogen inputs on the oxygen dynamics of the North Sea

Der Einfluss von Stickstoffeinträgen auf die Sauerstoffdynamik der Nordsee

Große, Fabian

pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Biogeochemie , Nordsee , Sauerstoff , Modellierung , Stickstoff , Eutrophierung
Freie Schlagwörter (Deutsch): marine Ökosystemmodellierung , Nährstoffverfolgung , grenzüberschreitende Nährstofftransporte
Freie Schlagwörter (Englisch): marine ecosystem modelling , nutrient tracing , trans-boundary nutrient transports
Basisklassifikation: 38.90
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Pohlmann, Thomas (PD Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.05.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 30.05.2017
Kurzfassung auf Englisch: This study presents a model-based analysis of the North Sea oxygen dynamics in recent years. Special focus is put on the physico-biochemical interactions controlling the evolution of oxygen deficiency (i.e., oxygen concentrations <6 mg/L) during seasonal stratification and the role of nitrogen (N) inputs from external sources. A three-dimensional model system, consisting of the physical model HAMSOM and the biogeochemical model ECOHAM, is applied to the North Sea region for the period 2000-2014 using realistic forcing data ('reference run').
Furthermore, a nutrient tracing method, called 'trans-boundary nutrient transports' (TBNT), is applied to N originating from different riverine and non-riverine sources. The TBNT method is expanded by a direct link of oxygen-consuming processes to individual N sources. By this, for the first time a detailed, quantitative analysis of the influences of individual N sources on the oxygen conditions in the North Sea is presented.
The analysis of summer oxygen concentrations and potential influencing factors identifies the following key factors controlling oxygen: (sufficiently long) seasonal stratification as a prerequisite, high net primary production (NPP) as the major source of organic matter, and the size of the sub-thermocline volume (Vsub). Consequently, the North Sea can be subdivided into three different types in terms of oxygen: (1) a highly productive, non-stratified coastal zone, (2) a productive, seasonally stratified zone with a small Vsub, and (3) a productive, seasonally stratified zone with a large Vsub. Type 2 is identified to be most susceptible to oxygen deficiency and extends over wide parts of the southern and eastern central North Sea.
Lowest simulated oxygen concentrations of less than 5.2 mg/L occur in the eastern central North Sea (about 56°N, 6°E; oxygen deficiency zone: ODZ) in 2002. Oxygen mass balances show that aerobic remineralisation accounts for roughly 85% of gross oxygen consumption (GOC) in the pelagic bottom layer of this region.
It is further shown that NPP controls the year-to-year variability in the bottom oxygen conditions. Although counter-intuitive, even events of strong mixing, that cause a complete renewal of bottom oxygen, can result in a net decrease in bottom oxygen (in the sequel of the event) due to the enhancement of NPP and downward mixing of organic matter.
The TBNT analysis reveals that GOC in the entire northern North Sea and most of the central regions is dominated by the North Atlantic N supply across the northern shelf edge. In contrast, the southern North Sea underlies a strong influence of the large Dutch (NL-1; Rhine and Meuse) and German (DE; Elbe, Ems, Weser), but also British rivers (UK-2; at the British east coast). Here, atmospheric N deposition also constitutes a remarkable source.
Consequently, most of the GOC in the ODZ of the North Sea can be attributed to these N sources (roughly 85%). The North Atlantic accounts for the major contribution of about 41% averaged over 2000-2014. Atmospheric deposition contributes about 16% while the overall riverine contribution results in about 38%. This suggests that riverine N reductions may have a relevant positive effect on oxygen in the ODZ, provided carefully defined reduction targets.
This is confirmed by a model scenario using N reductions ('reduction run') compliant with the European Union's Water Framework Directive (WFD). According to WFD implementation plans, zero and 5% reductions in N are applied to the British and Dutch rivers, respectively, relative to the loads of the reference run. High N reductions (consistent with a concentration of total N of 2.8 mg/L) are applied to the German rivers. Also, high reductions are applied to the French rivers and the Scheldt (50% and 37%, respectively).
Due to the only minor reductions in the NL-1 and UK-2 rivers, minimum oxygen concentrations increased by only 0.3 mg/L in the ODZ relative to the reference run. This increase results mainly from the high reductions in the German rivers. In the 'Oyster Grounds' (about 54.5°N, 3 E) - a region well known for being susceptible to oxygen deficiency - the improvements are even less due to the large influence of the NL-1 and UK-2 rivers and the only minor N reductions. This suggests that WFD-compliant N reduction targets require revision.
Kurzfassung auf Deutsch: Die vorliegende Arbeit stellt eine modellgestützte Analyse der Sauerstoffdynamik der Nordsee in der jüngeren Vergangenheit dar. Der Fokus liegt dabei auf der Analyse des Zusammenwirkens der physikalischen und biochemischen Prozesse, die zur Ausbildung eines Sauerstoffdefizits (d.h., Sauerstoffkonzentration <6 mg/L) während saisonaler Schichtung führen, sowie der Rolle von Stickstoffeinträgen (N) äußerer Quellen, wie z.B. Flüssen. Hierzu wird ein dreidimensionales Modellsystem - bestehend aus dem physikalischen Modell HAMSOM und dem biogeochemischen Modell ECOHAM - unter Verwendung realistischer Antriebsdaten für den Zeitraum 2000-2014 auf die Nordsee angewendet ('Referenzlauf').
Zudem wird eine Methode zur Verfolgung von Nährstoffeinträgen - genannt 'trans-boundary nutrient transports' (TBNT) - auf N angewendet, welcher durch Flüsse und andere Quellen in die Nordsee eingetragen wird. Die TBNT-Methode wird dahingehend erweitert, die Sauerstoff verbrauchenden Prozesse an die einzelnen N-Einträge zu koppeln. Damit ist es erstmals möglich, die Einflüsse individueller N-Einträge auf die Sauerstoffdynamik der Nordsee zu quantifizieren.
Die Analyse sommerlicher Sauerstoffkonzentrationen und möglicher Einflussgrößen identifiziert folgende Größen als ausschlaggebend für die Entwicklung des Sauerstoffs: (hinreichend lang anhaltende) saisonale Schichtung als Grundvoraussetzung, hohe Nettoprimärproduktion (NPP) als die wesentliche Quelle für organische Substanz sowie die Größe des Volumens unterhalb der Sprungschicht (Vsub). Daraus ergibt sich eine regionale Unterteilung der Nordsee in drei verschiedene Typen in Bezug auf Sauerstoff: (1) eine sehr produktive, nicht geschichtete Küstenzone, (2) eine produktive, saisonal geschichtete Zone mit einem kleinen Vsub und (3) eine produktive, saisonal geschichtete Zone mit einem großen Vsub. Typ 2 erweist sich als besonders anfällig für die Bildung eines Sauerstoffdefizits und erstreckt sich über weite Teile der südlichen und östlichen, zentralen Nordsee.
Die Simulation weist die geringsten Sauerstoffkonzentrationen (<5,2 mg/L) in der östlichen, zentralen Nordsee (bei etwa 56°N, 6°O; Sauerstoffdefizitzone: ODZ) im Jahr 2002 auf. Sauerstoffbilanzen zeigen, dass die aerobe Remineralisierung für etwa 85% des Bruttosauerstoffverbrauchs (GOC) in der pelagischen Bodenschicht dieser Region verantwortlich ist.
Weiterhin wird gezeigt, dass die NPP die jährlichen Schwankungen in den bodennahen Sauerstoffbedingungen steuert. Zudem zeigt sich der unerwartete Effekt, dass selbst Ereignisse starker Vermischung, welche zunächst eine vollständige Erneuerung des Bodensauerstoffs herbeiführen, aufgrund der erhöhten NPP und des zusätzlichen Exports von organischer Substanz in einer Nettoabnahme des Bodensauerstoffs resultieren können.
Die TBNT-Analyse offenbart, dass der N-Eintrag des Nordatlantiks über die nördliche Schelfkante den GOC in der gesamten nördlichen Nordsee und den meisten zentral gelegenen Regionen dominiert. Hingegen unterliegt die südliche Nordsee einem starken Einfluss der Einträge aus den großen niederländischen (NL-1; Rhein und Maas) und deutschen (DE; Elbe, Ems, Weser), aber auch britischen Flüssen (UK-2; an der britischen Ostküste). Hier spielt zudem die atmosphärische N-Deposition eine wesentliche Rolle.
Folglich ist der Großteil des GOC in der ODZ der Nordsee den genannten N-Quellen zuzuordnen (etwa 85%). Der nordatlantische Eintrag trägt gemittelt über 2000-2014 etwa 41% bei. Die atmosphärische Deposition trägt etwa 16% bei, während der Gesamtbeitrag der Flusseinträge sich auf etwa 38% beläuft. Dies zeigt, dass N-Reduktionen in den Flüssen durchaus einen relevanten, positiven Effekt auf die Sauerstoffbedingungen der ODZ haben können - sorgsam definierte Reduktionsziele vorausgesetzt.
Dies wird durch ein Modellszenario untermauert, welches N-Reduktionen entsprechend der Wasserrahmenrichtlinie (WFD) der Europäischen Union anwendet ('Reduktionslauf'). Nach den geplanten WFD-Maßnahmen werden in den britischen Flüssen keine und in den niederländischen Flüssen nur geringe (5%) N-Reduktionen gegenüber dem Referenzlauf vorgenommen. Im Vergleich dazu sind die Reduktionen in den deutschen Flüssen, welche sich aus einer Zielkonzentration für Gesamt-N von 2,8 mg/L ergeben, relativ hoch. Ebenfalls hohe Reduktionen werden in den französischen Flüssen (50%) und der Schelde (37%) vorgenommen.
Infolge der nur geringen Reduktionen in den NL-1- und UK-2-Flüssen erhöhen sich die minimalen Sauerstoffkonzentrationen in der ODZ nur um maximal 0,3 mg/L verglichen zum Referenzlauf. Diese Zunahme ist im Wesentlichen auf die hohen Reduktionen in den deutschen Flüssen zurückzuführen. In den 'Oyster Grounds' (etwa 54,5°N, 3°O) - eine Region, die bekanntermaßen anfällig für ein Sauerstoffdefizit ist - fällt die Verbesserung aufgrund des noch höheren Einflusses der NL-1- und UK-2-Flüsse und der geringen N-Reduktionen noch geringer aus. Dies legt nahe, dass eine Anpassung der WFD N-Reduktionsziele nötig ist.

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