DOI: https://doi.org/10.1029/2023ms003840
تاريخ النشر: 2024-03-01
المؤلف: Jens Terhaar وآخرون
الموضوع الرئيسي: النظم البيئية البحرية والساحلية
نظرة عامة
تقيّم الدراسة أداء نماذج الكيمياء الحيوية البحرية العالمية (GOBMs) في محاكاة تدفقات CO₂ من 1980 إلى 2018، كاشفةً أن هذه النماذج تقلل باستمرار من تقدير خزان الكربون في المحيط مقارنةً بالتقديرات المستندة إلى الملاحظات. تشمل العوامل الرئيسية التي تسهم في هذه الفجوة الاختلافات في تواريخ بدء النماذج، وخاصة الميل لبدء المحاكاة بعد التصنيع، والانحيازات في محاكاة دوران المحيط، ولا سيما دوران المحيط الأطلسي. تحدد الدراسة أن هذه الاختلافات بين النماذج يمكن أن تُعزى إلى (أ) اختلافات في إعداد المحاكاة، (ب) اختلافات ديناميكية في فيزياء النموذج والكيمياء الحيوية، و(ج) اختلافات في تدفقات الحدود عند واجهات اليابسة والبحر والرواسب البحرية.
لتحسين دقة محاكاة GOBM، يوصي المؤلفون بعدة استراتيجيات: بدء المحاكاة في تاريخ موحد قبل التصنيع، وتمديد فترة التحضير لتحقيق ظروف مستقرة، وتحسين تمثيل المقاييس الرئيسية المتعلقة بديناميات المحيط والكيمياء الحيوية. بينما تركز التعديلات قصيرة الأجل على تحسين إعدادات النموذج لتقليل الانحيازات، يجب أن تهدف التحسينات طويلة الأجل إلى التقاط تدفقات الأنهار والدفن بشكل أفضل، والتي تقدم حاليًا عدم يقين كبير في تقديرات تدفقات CO₂ من البحر إلى الهواء على المستوى الإقليمي. بشكل عام، تؤكد النتائج على الحاجة إلى نهج منسق في محاكاة GOBM لتسوية الاختلافات مع التقديرات المستندة إلى الملاحظات وتحسين فهم دور المحيط كخزان للكربون.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور المهم للمحيط العالمي في التخفيف من تغير المناخ من خلال امتصاص حوالي 25%-30% من انبعاثات CO₂ الناتجة عن الأنشطة البشرية. بينما يبطئ هذا العملية نمو CO₂ في الغلاف الجوي والاحترار العالمي، فإنه يؤدي في الوقت نفسه إلى تحمض المحيط ويقلل من كفاءة خزان الكربون في المحيط. تميز الدراسة بين الكربون الناتج عن الأنشطة البشرية (Cₐₙₜ)، الذي زاد بسبب الأنشطة البشرية، والكربون الطبيعي (Cₙₐₜ)، الموجود قبل التصنيع. يقود تطور خزان الكربون في المحيط بشكل أساسي ارتفاع مستويات CO₂ في الغلاف الجوي، مع تأثيرات إضافية من تقلب المناخ والتغيرات الناتجة عن الأنشطة البشرية في تدفقات الكربون من الأنهار.
تناقش الورقة مشروع تقييم ودورات الكربون الإقليمية (RECCAP2)، الذي يهدف إلى تحسين تقدير تدفقات الكربون من الهواء إلى البحر باستخدام أساليب إحصائية متقدمة وقاعدة بيانات شاملة لمنتجات ضغط CO₂ الجزئي في المحيط السطحي (pCO₂). يبني هذا المشروع على الجهود السابقة لتقييم خزان الكربون في المحيط ويبرز الفجوات بين محاكاة النماذج والبيانات الملاحظة، خاصة في سياق الميزانية العالمية للكربون. يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى تحسين الفهم والتقدير لخزان الكربون في المحيط لتعزيز دقة تقييمات ميزانية الكربون ودعم تطوير استراتيجيات فعالة لإزالة ثاني أكسيد الكربون. كما يحددون العوامل الرئيسية التي تسهم في الاختلافات في مخرجات النماذج، بما في ذلك الانحيازات في ديناميات المحيط وكيمياء الكربونات، بالإضافة إلى إعداد وتهيئة محاكاة النماذج.
الطرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الضوابط التجريبية التي تم تنفيذها للتحقق من النتائج وتقليل الانحياز. من الضروري أن تكون الطرق موضحة بوضوح للسماح بالتحقق المستقل من النتائج، وهو حجر الزاوية في البحث العلمي. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتوفير إطار شامل لفهم كيفية إجراء الدراسة والأساس لاستنتاجاتها.
النتائج
تشير النتائج من مجموعة من ثمانية نماذج كيمياء حيوية بحرية عالمية (GOBMs) للفترة من 1985 إلى 2018 إلى متوسط تدفق صافي عالمي متكامل للكربون ($F_{net}$) قدره $1.41 \pm 0.24$ Pg C سنة$^{-1}$. هذه القيمة قابلة للمقارنة إحصائيًا مع التقدير المستمد من منتجات pCO$_2$، والتي تبلغ $1.61 \pm 0.21$ Pg C سنة$^{-1}$. تشير هذه النتائج إلى أن GOBMs توفر تمثيلًا موثوقًا لتدفقات الكربون في المحيط، حيث لا تختلف التقديرات المحاكاة والملاحظة بشكل كبير.
علاوة على ذلك، تسلط النتائج الضوء على اتساق GOBMs في التقاط ديناميات دورة الكربون على مدى الفترة المحددة. توضح البيانات المقدمة في الجدول 1 والشكل 1 التوافق بين مخرجات النموذج والبيانات الملاحظة، مما يعزز صحة GOBMs في محاكاة العمليات الكربونية في المحيط.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون نماذج الكيمياء الحيوية البحرية العامة (GOBMs) المستخدمة في دراستهم، والتي تدمج دوران المحيط، ديناميات الجليد البحري، والعمليات الكيميائية الحيوية. قاموا بتحليل ثمانية GOBMs، بما في ذلك CESM-ETHZ وCNRM-ESM2-1، مع استبعاد ثلاثة نماذج بسبب مشاكل في اتساق البيانات وانحيازات كبيرة في الملوحة تؤثر على تقديرات تخزين الكربون. تم دفع النماذج ببيانات جوية من مصادر مثل إعادة تحليل اليابان JRA-55-do وNCEP/NCAR، وركزت الدراسة بشكل خاص على تأثير دوران المحيط الأطلسي (AMOC) على تدفقات CO₂ من الهواء إلى البحر. من الجدير بالذكر أن تعديل في زمن استعادة ملوحة نموذج CESM-ETHZ حسّن بشكل كبير من قوة AMOC.
يعرف المؤلفون تدفق CO₂ من البحر إلى الهواء ($F_{\text{net}}$) على أنه مجموع مكونات مختلفة، بما في ذلك التدفقات الناتجة عن الأنشطة البشرية والطبيعية، ويقدمون مصطلحًا جديدًا لتدفق الكربون الناتج عن الأنهار والدفن ($F_{\text{nat riv-bur}}$). يوضحون محاكاة RECCAP2 المصممة لتقدير هذه المكونات التدفق، مع التأكيد على التحديات في عزل مكونات معينة بسبب قيود النموذج. تبرز الدراسة أيضًا استخدام التقديرات المستندة إلى الملاحظات لضبط مخرجات النموذج، خاصةً بالنسبة للمدخلات النهرية، التي تم تمثيلها بشكل غير كافٍ في GOBMs. يعترف المؤلفون بعدم اليقين الكامن في تقديراتهم، الناجم عن انحيازات النموذج وتقلب تدفقات الأنهار والدفن على مر الزمن، مما يعقد التقييمات الإقليمية لـ $F_{\text{net}}$.
DOI: https://doi.org/10.1029/2023ms003840
Publication Date: 2024-03-01
Author(s): Jens Terhaar et al.
Primary Topic: Marine and coastal ecosystems
Overview
The research evaluates the performance of global ocean biogeochemistry models (GOBMs) in simulating CO₂ fluxes from 1980 to 2018, revealing that these models consistently underestimate the ocean carbon sink compared to observation-based estimates. Key factors contributing to this discrepancy include variations in model initialization dates, particularly the tendency to start simulations post-industrialization, and biases in simulating ocean circulation, notably the Atlantic Meridional Overturning Circulation. The study identifies that these inter-model differences can be attributed to (a) simulation setup discrepancies, (b) dynamical differences in model physics and biogeochemistry, and (c) variations in boundary fluxes at land-sea and sea-sediment interfaces.
To enhance the accuracy of GOBM simulations, the authors recommend several strategies: initiating simulations at a standardized pre-industrial date, extending the spin-up period to achieve steady-state conditions, and improving the representation of key metrics related to ocean dynamics and biogeochemistry. While the short-term adjustments focus on refining model setups to reduce biases, long-term improvements should aim at better capturing riverine and burial fluxes, which currently introduce significant uncertainties in regional sea-air CO₂ flux estimates. Overall, the findings underscore the need for a coordinated approach in GOBM simulations to reconcile differences with observation-based estimates and improve the understanding of the ocean’s role as a carbon sink.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant role of the global ocean in mitigating climate change by absorbing approximately 25%-30% of human-made CO₂ emissions. While this process slows atmospheric CO₂ growth and global warming, it simultaneously leads to ocean acidification and diminishes the ocean’s carbon sink efficiency. The study distinguishes between anthropogenic carbon (Cₐₙₜ), which has increased due to human activities, and natural carbon (Cₙₐₜ), present before industrialization. The evolution of the ocean carbon sink is primarily driven by rising atmospheric CO₂ levels, with additional influences from climate variability and anthropogenic changes in riverine carbon fluxes.
The paper discusses the REgional Carbon Cycle Assessment and Processes project (RECCAP2), which aims to refine the quantification of air-sea carbon fluxes using advanced statistical methods and a comprehensive database of surface ocean CO₂ partial pressure (pCO₂) products. This project builds on previous efforts to assess the ocean carbon sink and highlights discrepancies between model simulations and observational data, particularly in the context of the Global Carbon Budget. The authors emphasize the need for improved understanding and quantification of the ocean carbon sink to enhance the accuracy of carbon budget assessments and support the development of effective carbon dioxide removal strategies. They also identify key factors contributing to differences in model outputs, including biases in ocean dynamics and carbonate chemistry, as well as the setup and initialization of model simulations.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols for data collection, including any statistical analyses performed to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental controls implemented to validate findings and minimize bias. It is essential that the methods are clearly articulated to allow for independent verification of the results, which is a cornerstone of scientific research. Overall, this section serves to provide a comprehensive framework for understanding how the study was conducted and the basis for its conclusions.
Results
The results from the ensemble of eight Global Ocean Biogeochemical Models (GOBMs) for the period 1985 to 2018 indicate a mean annual globally integrated net flux of carbon ($F_{net}$) of $1.41 \pm 0.24$ Pg C year$^{-1}$. This value is statistically comparable to the estimate derived from pCO$_2$ products, which is $1.61 \pm 0.21$ Pg C year$^{-1}$. These findings suggest that the GOBMs provide a reliable representation of carbon fluxes in the ocean, as the modeled and observed estimates do not significantly differ.
Furthermore, the results highlight the consistency of the GOBMs in capturing the dynamics of carbon cycling over the specified period. The data presented in Table 1 and Figure 1 illustrate the alignment between the model outputs and observational data, reinforcing the validity of the GOBMs in simulating oceanic carbon processes.
Discussion
In this section, the authors discuss the General Ocean Biogeochemistry Models (GOBMs) utilized in their study, which integrate ocean circulation, sea ice dynamics, and biogeochemical processes. They analyzed eight GOBMs, including CESM-ETHZ and CNRM-ESM2-1, while excluding three models due to issues with data consistency and significant biases in salinity affecting carbon storage estimates. The models were forced with atmospheric data from sources like the Japanese Reanalysis JRA-55-do and NCEP/NCAR, and the study specifically examined the impact of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) on air-sea CO₂ fluxes. Notably, a modification in the CESM-ETHZ model’s salinity restoring timescale improved the AMOC strength significantly.
The authors define the net sea-air CO₂ flux ($F_{\text{net}}$) as the sum of various components, including anthropogenic and natural fluxes, and introduce a new term for riverine-burial induced flux ($F_{\text{nat riv-bur}}$). They detail the RECCAP2 simulations designed to quantify these flux components, emphasizing the challenges in isolating specific components due to model limitations. The study also highlights the use of observation-based estimates to adjust model outputs, particularly for riverine inputs, which are inadequately represented in the GOBMs. The authors acknowledge the uncertainties inherent in their estimates, stemming from model biases and the variability of riverine and burial fluxes over time, which complicate regional assessments of $F_{\text{net}}$.