Modellierung der jahreszeitlichen Entwicklung einer Zooplankton-Population in der Nordsee

Abstract

In der Dissertation wird die Entwicklung des Zooplanktons im hydrodynamischen und biologischen Umfeld der Nordsee mittels mathematischer Modelle untersucht. Dazu wird der Lebenszyklus einer Zooplanktonart mit seinen Entwicklungs- und Stoffwechselprozessen durch Abundanz- und Stoffflußgleichungen für die Stadienentwicklung beschrieben. Diese Gleichungen wurden im Ökosystemmodell ECOHAM integriert, um im Kontext von Zirkulation, Nährstoff- und Phytoplanktonverteilung die Zooplanktondynamik in den regionalen Unterschieden und der jahreszeitlichen Entwicklung zu untersuchen. Die Ergebnisse werden u. a. für die Modellierung des Rekrutierungserfolges von Fischlarven im GLOBEC-Germany Projekt, in das die Arbeit eingegliedert ist, verwendet. Die Dissertation basiert im Kern auf drei Veröffentlichungen.

Um das Verhalten einer typischen Copepodenart in der Nordsee zu untersuchen, wurde die Entwicklungsphysiologie von Pseudocalanus elongatus, einer Schlüsselart im GLOBEC-Projekt, für die Nordsee parametrisiert. Darin wurden Zustandsvariablen für Abundanz und Biomasse für mehrere Stadiengruppen auf der Basis eines bestehenden Populationsmodells formuliert. Mit Hilfe der Literatur wurde eine artenspezifische Parametrisierung für den Lebenszyklus in Nahrungsaufnahme, Metabolismus, Entwicklung (durch Wachstum und Häutung) sowie Reproduktion erarbeitet Artikel I. Das Populationsmodell wurde als neues Modul in das dreidimensionale ECOHAM-Modellsystem integriert. Dann wurde das Verhalten der Population zunächst an einer Station in der nördlichen Nordsee getestet und die zeitliche Entwicklung im Nährstoff-Plankton-Kreislauf untersucht Artikel II. Die Einbindung der Populationsdynamik in Konkurrenz zum restlichen Zooplankton ermöglicht dann die Analyse des quantitativen Anteils von P. elongatus in der artenreichen Nordsee. Die Validation erfolgte anhand von Meßdaten für das Jahr 2004. Mit diesem Modellsystem wurden Untersuchungen zum Verständnis der Zooplanktondynamik durchgeführt (Artikel III). Dazu gehören die räumlich-zeitliche Verteilung der Population und ihre Ursachen. So steuert die Futtermenge die Größe der Population während die Temperatur ihre Entwicklungsgeschwindigkeit beeinflußt.

In einem anschließenden Kapitel wird die Anwendung des Zooplankton-Populationsmodells gezeigt, indem Futterfelder zur Modellierung von Sprottenlarven ausgewertet werden (Kapitel 4). Dabei zeigt sich der Einfluß der zeitlich-räumlich variablen Zooplanktonfelder auf das Larvenwachstum, und es wird abschließend die Methodik diskutiert. Im letzten Kapitel werden übergeordnete Fragestellungen behandelt, welche die einzelnen Publikationen und Kapitel miteinander verbinden (Kapitel 5).

In this thesis the development of zooplankton within the hydrodynamical and biological environment of the North Sea is investigated using mathematical models. Thereto the life cycle of a zooplankton population is described by abundance and cycles of matter within development and physiological processes. Equations with species-specific parameter values are implemented into the ecosystem model ECOHAM to simulate the annual cycle and regional differences influenced by circulation, nutrient and phytoplankton distribution. The results are also used for modelling the recruitment success of larval fish within the German GLOBEC project, to which the thesis work is a contribution. The thesis is based on three publications.

To investigate the population dynamics of a copepod species typical for the North Sea the life cycle of the GLOBEC target species Pseudocalanus elongatus was parameterised. State variables were formulated for abundance and biomass of five stage groups based on an existing population model. Using literature data species-specific parameter values for the life cycle processes of ingestion, metabolic terms and development (in growth and moulting) and reproduction were determined (paper I). The population model was implemented into the three-dimensional ECOHAM model. The life cycle was tested at a northern North Sea station to investigate the temporal development within the ecosystem model (paper II). The integration of population dynamics competing to the rest zooplankton allows the analysis of the proportion of P. elongatus in the diverse North Sea ecosystem. The validation of the state variables against field data for 2004 was performed and the zooplankton dynamics were investigated (paper III). This investigation included the temporal and spatial distribution of the population, which shows, that the food concentration mostly affects the population abundance while the temperature has a strong influence on the developmental rates.

In a subsequent chapter the modelled zooplankton population data were used as prey fields for modelling larval sprat (chapter 4). The preparation of these prey fields and the influence of the spatio-temporal variability of the zooplankton was investigated and the methods discussed. Finally, general questions linking the several papers and chapters were discussed (chapter 5).