Future changes of nutrient dynamics and biological productivity in - - PowerPoint PPT Presentation

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Pacific Ocean ROMS-CoSiNE Modeling (12-km) Incorporating optics into ROMS-CoSiNE-EcoLight Future predications for CCS based on GFDL/ESM-ROMS-CoSiNE Future changes of nutrient dynamics and biological productivity in California Current System Fei Chai, Peng Xiu, Enrique Curchitser

Regional Ocean Model System (ROMS) 1/8 deg. (~12km)

(Chai et al., 2002, 2003, 2007, 2009; Fujii and Chai, 2007; Liu and Chai, 2009; Xiu and Chai, 2011, Palacz et al., 2011, Xu et al., 2013, Xiu and Chai, 2013, 2014)

Carbon, Silicate, Nitrogen Ecosystem Model (CoSiNE-13)

Regional Ocean Model System (ROMS) 1/8 deg. (~12km)

(Chai et al., 2002, 2003, 2007, 2009; Fujii and Chai, 2007; Liu and Chai, 2009; Xiu and Chai, 2011, Palacz et al., 2011, Xu et al., 2013, Xiu and Chai, 2013, 2014)

Carbon, Silicate, Nitrogen Ecosystem Model (CoSiNE-13)

Phytoplankton ¡Comparison ¡(1998-­‑2007)

SeaWiFS Chlorophyll Modeled Chlorophyll SeaWiFS Phytoplankton Carbon Modeled Phytoplankton Carbon Xiu & Chai JGR,2012

IOPs ¡Comparison ¡(1998-­‑2007)

SeaWiFS (QAA) aph (443 nm) Modeled aph (440 nm) SeaWiFS (QAA) acdom+det (412 nm) Modeled acdom+det (410 nm) SeaWiFS (QAA) bbp (555 nm) Modeled bbp (550 nm) Xiu & Chai 2012, JGR

January 2015

along channel

1 2 3 4 periodic along- 40 km along- channel 80 km cross- channel

Idealized ROMS 3D Channel Geometry and Configuration Example simulations for an idealized upwelling- downwelling

CoSiNE-­‑Op?cs-­‑EcoLight

ROMS-­‑CoSiNE Op?cal ¡Module Chl, ¡CDOM,detritus

Kpar

Inherent ¡Op?cal ¡ ¡ Proper?es ¡(IOPs) Satellite ¡data ¡ QAA, ¡GSM…. IOPs ¡ Comparison Seawater ¡op?cal ¡proper?es Photo-­‑Acclima?on Carbon ¡ Nitrogen ¡ Chlorophyll Comparison Biological Radia?ve ¡Transfer ¡ Model ¡(EcoLight) PAR ¡(400 ¡nm ¡to ¡700 ¡nm) ¡ Short ¡Wave ¡Radia?on ¡(400 ¡to ¡1000)

CoSiNE-­‑Op?cs-­‑EcoLight

ROMS-­‑CoSiNE Op?cal ¡Module Chl, ¡CDOM,detritus

Kpar

Inherent ¡Op?cal ¡ ¡ Proper?es ¡(IOPs) Satellite ¡data ¡ QAA, ¡GSM…. IOPs ¡ Comparison Seawater ¡op?cal ¡proper?es Photo-­‑Acclima?on Carbon ¡ Nitrogen ¡ Chlorophyll Comparison Biological Radia?ve ¡Transfer ¡ Model ¡(EcoLight) PAR ¡(400 ¡nm ¡to ¡700 ¡nm) ¡ Short ¡Wave ¡Radia?on ¡(400 ¡to ¡1000)

Hydrodynamics, ¡thermodynamics, ¡and ¡ biology ¡are ¡fully ¡coupled ¡via ¡EcoLight, ¡ RTE ¡solu<on ¡from ¡400-­‑1000 ¡nm

Thermodynamics ¡with ¡Paulson ¡& ¡Simpson ¡ short ¡wave ¡radia?on ¡model. ¡ Biology ¡with ¡analy?c ¡PAR(z) ¡light ¡model. ¡ There ¡is ¡no ¡feedback ¡from ¡biology ¡to ¡ physics

Original ¡ROMS-­‑CoSiNE ¡Model New ¡ROMS-­‑CoSiNE-­‑EcoLight ¡Model

Coupling ¡Hydrodynamics, ¡Biology, ¡and ¡Op8cs

Hydrodynamics, ¡thermodynamics, ¡and ¡ biology ¡are ¡fully ¡coupled ¡via ¡EcoLight, ¡ RTE ¡solu<on ¡from ¡400-­‑1000 ¡nm

Thermodynamics ¡with ¡Paulson ¡& ¡Simpson ¡ short ¡wave ¡radia?on ¡model. ¡ Biology ¡with ¡analy?c ¡PAR(z) ¡light ¡model. ¡ There ¡is ¡no ¡feedback ¡from ¡biology ¡to ¡ physics

Original ¡ROMS-­‑CoSiNE ¡Model New ¡ROMS-­‑CoSiNE-­‑EcoLight ¡Model

Coupling ¡Hydrodynamics, ¡Biology, ¡and ¡Op8cs

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Pacific Ocean ROMS-CoSiNE Modeling (12-km) Incorporating optics into ROMS-CoSiNE-EcoLight Future predications for CCS based on

GFDL/ESM-ROMS-CoSiNE

Future changes of nutrient dynamics and biological productivity in California Current System Fei Chai, Peng Xiu, Enrique Curchitser

1860 - 1900 2081 - 2120

Difference

Temperature (0-200m) NO3 (0-200m) Primary Production Rykaczewski and Dunne, GRL, 2010

GFDL-ESM to ROMS-CoSiNE

Courtesy of Enrique Curchitser

One-way downscaling

For this talk:

Comparing ¡two ¡periods ¡(20 ¡years)

Forced ¡with ¡RCP ¡8.5 ¡ from ¡GFDL-­‑ESM2M

1990-­‑2009 ¡ ¡VS. ¡ ¡2030-­‑2049 ¡ Difference ¡= ¡AVG(2030~2049) ¡– ¡AVG(1990~2009 ¡)

Temperature ¡Comparison ¡in ¡CCS

Comparison ¡of ¡Temperature ¡and ¡Stratification ¡ Difference ¡= ¡(2030-­‑2049) ¡-­‑ ¡(1990-­‑2009)

SST Increase Stratification (N2) Enhanced

Comparison ¡of ¡Nutrients ¡and ¡Primary ¡Production ¡ Difference ¡= ¡(2030-­‑2049) ¡-­‑ ¡(1990-­‑2009)

NO3 Increase

warm colors

SiO4 Increase more

warm colors

Decrease Decrease warming more SST Increase

Primary Production Increase

Decrease

Comparison ¡of ¡Nutricline ¡Depth ¡(NO3 ¡and ¡SiO4) ¡ Difference ¡= ¡(2030-­‑2049) ¡-­‑ ¡(1990-­‑2009)

NO3 ¡Nutricline SiO4 ¡Nutricline

Nutricline ¡become ¡shallower ¡in ¡most ¡areas, ¡more ¡so ¡for ¡silicate ¡than ¡nitrate ¡ Offshore ¡region ¡in ¡the ¡north, ¡nutricline ¡deepens

Plankton ¡Biomass ¡Comparions: ¡(2030-­‑49) ¡-­‑ ¡(1990-­‑09)

Small ¡ Phyto. Diatoms Microzoo Mesozoo

Mesozoo ¡ increase ¡ ¡ more ¡ ¡ near ¡-­‑shore

Change ¡in ¡ ¡

• pposite ¡direction

Microzoo ¡ increase ¡ ¡ more ¡ ¡

• ff-­‑shore

positive ¡

Along ¡ shore ¡ wind

1990-­‑09

Wind ¡ stress ¡ curl

1990-­‑09 DIFF ¡= ¡ (2039-­‑49)-­‑ ¡ (1990-­‑09) ¡ DIFF ¡= ¡ (2039-­‑49)-­‑ ¡ (1990-­‑09) ¡ Increase ¡ ¡ near ¡coast ¡ ¡ more ¡ upwelling Decrease ¡ ¡

• ffshore ¡ ¡

less ¡ upwelling Increase ¡ ¡ near ¡coast ¡ ¡ more ¡ upwelling

positive ¡

Along ¡ shore ¡ wind

1990-­‑09

Wind ¡ stress ¡ curl

1990-­‑09 DIFF ¡= ¡ (2039-­‑49)-­‑ ¡ (1990-­‑09) ¡ DIFF ¡= ¡ (2039-­‑49)-­‑ ¡ (1990-­‑09) ¡ Increase ¡ ¡ near ¡coast ¡ ¡ more ¡ upwelling Decrease ¡ ¡

• ffshore ¡ ¡

less ¡ upwelling Increase ¡ ¡ near ¡coast ¡ ¡ more ¡ upwelling

Future ¡climate ¡change ¡impact ¡on ¡upwelling ¡systems

Bakun ¡et ¡al. ¡ 2015 ¡

Bakun ¡Hypothesis ¡ Poleward ¡migration ¡

• f ¡pressure ¡systems ¡

Enhancement ¡of ¡ ¡ land-­‑ocean ¡ thermal ¡contrast ¡ ¡ along ¡the ¡coast ¡

% ¡= ¡[AVG(2030-­‑49) ¡– ¡AVG(1990-­‑09 ¡)] ¡ /AVG(1990-­‑09 ¡)

Vertical ¡Nutrient ¡Flux ¡Calculations

change ¡(%) W NO3 SIO4 100 ¡m 5.6% 9.9% 24% 200 ¡m 21.3% 5.7% 18.8% 300 ¡m

• ­‑4.0%

2.9% 14.8%

Changes ¡of ¡Vertical ¡Velocity ¡(W) ¡and ¡NO3 ¡and ¡SiO4 ¡ in ¡region ¡2 ¡and ¡3, ¡during ¡April-­‑July

2 3

Annual ¡Mean ¡NO3 ¡Flux ¡(0-­‑200m) ¡(kmol/s)

2.95 2.33 1.47 2.00 1.36 0.92

1990-­‑2009

• ­‑0.01 0.30

Upwelling

0.25 0.26

Mixing

Net ¡NO3 ¡to ¡ ¡ Region ¡2 ¡& ¡3: ¡ Difference ¡= ¡1 ¡ ¡ (4.14 ¡-­‑ ¡3.13) ¡

Rykaczewski and Dunne GRL, 2010

2030-­‑2049

Annual ¡Mean ¡NO3 ¡Flux ¡(0-­‑200m) ¡(kmol/s)

2.95 2.33 1.47 2.00 1.36 0.92

1990-­‑2009

• ­‑0.01 0.30

Upwelling

0.25 0.26

Mixing

Net ¡NO3 ¡to ¡ ¡ Region ¡2 ¡& ¡3: ¡ Difference ¡= ¡1 ¡ ¡ (4.14 ¡-­‑ ¡3.13) ¡

Rykaczewski and Dunne GRL, 2010

2030-­‑2049

Annual ¡Mean ¡NO3 ¡Flux ¡(0-­‑200m) ¡(kmol/s)

2.95 2.33 1.47 2.00 1.36 0.92

1990-­‑2009

• ­‑0.01 0.30

Upwelling

0.25 0.26

Mixing

Net ¡NO3 ¡to ¡ ¡ Region ¡2 ¡& ¡3: ¡ Difference ¡= ¡1 ¡ ¡ (4.14 ¡-­‑ ¡3.13) ¡

Rykaczewski and Dunne GRL, 2010

2030-­‑2049

Increasing ¡EKE ¡in ¡the ¡central ¡ ¡

• ffshore ¡potentially ¡enhancing ¡ ¡

upper ¡water ¡nutrients

Eddy ¡Kinetic ¡Energy ¡(EKE) ¡ Difference ¡= ¡(2030-­‑49) ¡-­‑ ¡(1990-­‑09)

Increasing ¡EKE ¡in ¡the ¡central ¡ ¡

• ffshore ¡potentially ¡enhancing ¡ ¡

upper ¡water ¡nutrients

Eddy ¡Kinetic ¡Energy ¡(EKE) ¡ Difference ¡= ¡(2030-­‑49) ¡-­‑ ¡(1990-­‑09)

Increasing ¡EKE ¡in ¡the ¡central ¡ ¡

• ffshore ¡potentially ¡enhancing ¡ ¡

upper ¡water ¡nutrients

Eddy ¡Kinetic ¡Energy ¡(EKE) ¡ Difference ¡= ¡(2030-­‑49) ¡-­‑ ¡(1990-­‑09)

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Summary for future predications of CCS

• One-­‑way ¡downscaling ¡higher ¡resolution ¡coastal ¡model ¡yield ¡

more ¡information ¡for ¡regional ¡difference ¡ ¡

• In ¡the ¡central ¡and ¡southern ¡coast, ¡increase ¡wind ¡and ¡wind ¡

stress ¡curl ¡lead ¡to ¡stronger ¡upwelling; ¡upwelled ¡nutrients ¡ also ¡increased ¡due ¡to ¡warming ¡and ¡stratification ¡in ¡the ¡open ¡

• cean ¡which ¡transport ¡to ¡the ¡CCS ¡
• Primary ¡production ¡increase ¡due ¡to ¡more ¡nutrients ¡to ¡CCS, ¡

diatoms ¡and ¡meso-­‑zooplankton ¡increase ¡more ¡near ¡shore ¡

• Increased ¡eddy ¡activity ¡offshore ¡along ¡with ¡decreased ¡wind ¡

stress ¡curl ¡enhance ¡nutrient ¡supply ¡to ¡the ¡upper ¡ocean ¡

• For ¡the ¡northern ¡CCS, ¡changing ¡in ¡wind ¡stress ¡curl ¡lead ¡to ¡

more ¡downwelling, ¡which ¡leads ¡to ¡decrease ¡of ¡nutrient ¡ ¡