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Planktondynamik im Südpolarmeer - Numerische Untersuchungen mit einer Hierarchie biologisch-physikalischer Modelle

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Hense, I. (2001): Planktondynamik im Südpolarmeer - Numerische Untersuchungen mit einer Hierarchie biologisch-physikalischer Modelle , PhD thesis, Universität Bremen.
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Ziel dieser Arbeit ist ein besseres Verst\"andnis der biologischen Prozesse im S\"udpolarmeer, wobei der Schwerpunkt auf den f"ur regionale und zwischenj"ahrliche Variabilit"at wichtigen Mechanismen liegt.Zur Untersuchung der Planktondynamik im S\"udpolarmeer wurde ein gekoppeltes biologisch-physikalischen Modell entwickelt, das die Charakteristika des pelagischen \"Okosystems dieser Region widerspiegelt.Das biologische Modell \mbox{(BIMAP)} enth"alt miteinander gekoppelte Kreisl"aufe von Silizium, Stickstoff und Eisen; Parametrisierungen der Fl"usse zwischen den verschiedenen Kompartimenten orientieren sich eng an Feldmessungen und Laborexperimenten.Simulationen werden mit N"ahrstoffverteilungen aus dem WOCE-Datensatz initialisiert.Neben Studien in einer vertikal integrierten Version mit vorgegebenen Randbedingungen wird das Modell in einer idealisierten, wirbelaufl"osenden Konfiguration mit 6~km Aufl"osung betrieben, die einen Ausschnitt des Antarktischen Zirkumpolarstroms (ACC) widergibt.Das {\it s-Coordinate Primitive Equation Model} (SPEM) bildet in diesen Simulationen die Ozeankomponente.In einer zirkumpolaren Modellversion, die mit einer gr"oberen Aufl"osung das gesamte S"udpolarmeer umfa"st, ist zus"atzlich ein dynamisch-thermodynamisches Meereismodell enthalten.Die Simulationsresultate weisen darauf hin, da"s die maximale Planktonkonzentration zwar stark von der Wahl des Si:N-Aufnahmeverh"altnisses und dem vorgegebenen Jahresgang der Deckschichttiefe abh"angt, da"s diese Parameter aber nicht gen"ugen, um die beobachteten regionalen Unterschiede in der Planktonkonzentration im Antarktischen Zirkumpolarstrom zu erkl"aren.Im Bereich der Antarktischen Polarfront (APF) f"uhrt barokline Instabilit"at zu m"aandrierenden Str"omungen und zur Ausbildung mesoskaliger Auf- und Abtriebsgebiete, die sich in einer vertikalen und horizontalen Umverteilung von N"ahrstoffen und Plankton widerspiegeln.W"ahrend niedrige Silikatkonzentrationen n"ordlich der APF die Bildung reicher Phytoplanktonbl"uten verhindern, sorgt Eisenlimitierung im s"udlichen ACC f"ur die Entstehung des aus Beobachtungen bekannten HNLC-Gebietes.Im Bereich der APF dagegen wird durch mesoskalige upwelling-Gebiete und durch die mit der Querfront-Zirkulation verbundene meridionale Umw"alzbewegung Eisen aus tieferen Schichten des Ozeans in die euphotische Zone transportiert.Dieses Wasser ist arm an Phytoplankton, so da"s die Auftriebsregionen lokale Minima der Phytoplanktonkonzentration darstellen.Erst w"ahrend sich dieses Wasser entlang der Oberfl"acheausbreitet, kann Phytoplankton unter dem Einflu"s der solaren Einstrahlung {\it so} lange wachsen, bis es in einer konvergenten Str"omung wieder in licht\"armere Schichten verfrachtet wird.Die maximalen Planktonkonzentrationen findet man daher in den {\it downwelling}-Gebieten, deren Lage im zonalen Mittel durch die gro"sskalige Bodentopographie bestimmt wird.Wird dagegen der Effekt der Eisenlimitierung vernachl"assigt, bildet sich unter dem Einflu"s der gro"sen Silikatkonzentrationen s"udlich der APF eine ausgedehnte Phytoplanktonbl"ute, die mit Beobachtungen nicht in Einklang steht.\"Anderungen im Aufnahmeverh\"altnis von Si:N haben keinen Einflu"s auf die Horizontalverteilung der Phytoplanktonbiomasse, sondern nur auf die maximale Phytoplanktonkonzentration.Auch der Effekt eines periodischen Auftretens von Schwarmorganismen (Krill, Salpen) konnte als Alternativhypothese f"ur das Entstehen der beobachten Planktonverteilung im ACC verworfen werden.Bei Untersuchungen der mit der Antarktischen Zirkumpolarwelle assoziierten zwischenj\"ahrlichen Variabilit\"at des "Okosystems im S"udpolarmeer zeigen sich gro"se regionale Unterschiede in den grundlegenden Wechselwirkungen zwischen den physikalischen Randbedingungen und der Reaktion des "Okosystems:Im pazifischen Sektor (n"ordliches Amundsen-/Bellingshausenmeer) f"uhren positive Anomalien der winterlichen Deckschichttiefe zu signifikant erh"ohtem Eiseneintrag und damit zu erh\"ohten Phytoplanktonkonzentrationen im folgenden Sommer.Im atlantischen Sektor dagegen bilden Anomalien der Vertikalgeschwindigkeit die prim"are Ursache f"ur zwischenj"ahrliche Variabilit"at des Planktonwachstums.In beiden Sektoren haben mit der Antarktischen Zirkumpolarwelle verkn"upfte atmosph"arische Anomalien signifikanten Einflu"s auf den Aufbau einer Phytoplanktonbl"ute, jedoch verhindert die Verschiedenheit der hierf"ur relevanten Mechanismen die Ausbildung eines fortschreitenden zirkumpolaren Signals.Weitere Gebiete mit hoher zwischenj"ahrlicher Variabilit"at der sommerlichen Planktonbl"ute liegen in der Seasonal Ice Zone, z. B. um Maud Rise und in der Coastal and Continental Shelf Zone, wobei die Ronne-Polynya des Sommers 1997/98 als singul"ares Ereignis auff"allt.Die hohen Planktonkonzentrationen im Rossmeer werden auf anhaltendes {\it upwelling} vor allem w"ahrend der Wintermonate, ein fr"uhes Aufbrechen des Meereises in der Ross-Polynya und flache Deckschichten im Sommer zur"uckgef"uhrt.

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