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

Future changes of nutrient dynamics and biological productivity in California Current System Fei Chai, Peng Xiu, Enrique Curchitser Pacific Ocean ROMS-CoSiNE Modeling (12-km) Incorporating optics into ROMS-CoSiNE-EcoLight Future predications for CCS based on GFDL/ESM-ROMS-CoSiNE 1

Regional Ocean Model System (ROMS) 1/8 deg. (~12km) Carbon, Silicate, Nitrogen Ecosystem Model (CoSiNE-13) (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)

Regional Ocean Model System (ROMS) 1/8 deg. (~12km) Carbon, Silicate, Nitrogen Ecosystem Model (CoSiNE-13) (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)

Phytoplankton ¡Comparison ¡(1998-­‑2007) Modeled Chlorophyll SeaWiFS Chlorophyll Modeled Phytoplankton Carbon SeaWiFS Phytoplankton Carbon Xiu & Chai JGR,2012

IOPs ¡Comparison ¡(1998-­‑2007) Modeled a ph (440 nm) SeaWiFS (QAA) a ph (443 nm) Modeled a cdom+det (410 nm) SeaWiFS (QAA) a cdom+det (412 nm) Modeled b bp (550 nm) SeaWiFS (QAA) b bp (555 nm) Xiu & Chai 2012, JGR

January 2015 periodic along- along channel 4 Idealized ROMS 3D 3 2 Channel Geometry and 1 Configuration 40 km along- channel Example simulations for 80 km cross- channel an idealized upwelling- downwelling

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

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

Coupling ¡Hydrodynamics, ¡Biology, ¡and ¡Op8cs Original ¡ ROMS-­‑CoSiNE ¡Model New ¡ ROMS-­‑CoSiNE-­‑EcoLight ¡Model Thermodynamics ¡with ¡Paulson ¡& ¡Simpson ¡ Hydrodynamics, ¡thermodynamics, ¡and ¡ short ¡wave ¡radia?on ¡model. ¡ biology ¡are ¡fully ¡coupled ¡via ¡EcoLight, ¡ Biology ¡with ¡analy?c ¡PAR(z) ¡light ¡model. ¡ RTE ¡solu<on ¡from ¡400-­‑1000 ¡nm There ¡is ¡no ¡feedback ¡from ¡biology ¡to ¡ physics

Coupling ¡Hydrodynamics, ¡Biology, ¡and ¡Op8cs Original ¡ ROMS-­‑CoSiNE ¡Model New ¡ ROMS-­‑CoSiNE-­‑EcoLight ¡Model Thermodynamics ¡with ¡Paulson ¡& ¡Simpson ¡ Hydrodynamics, ¡thermodynamics, ¡and ¡ short ¡wave ¡radia?on ¡model. ¡ biology ¡are ¡fully ¡coupled ¡via ¡EcoLight, ¡ Biology ¡with ¡analy?c ¡PAR(z) ¡light ¡model. ¡ RTE ¡solu<on ¡from ¡400-­‑1000 ¡nm There ¡is ¡no ¡feedback ¡from ¡biology ¡to ¡ physics

Future changes of nutrient dynamics and biological productivity in California Current System Fei Chai, Peng Xiu, Enrique Curchitser Pacific Ocean ROMS-CoSiNE Modeling (12-km) Incorporating optics into ROMS-CoSiNE-EcoLight Future predications for CCS based on GFDL/ESM-ROMS-CoSiNE 9

Rykaczewski and Dunne, GRL, 2010 Temperature (0-200m) NO3 (0-200m) Primary Production 1860 - 1900 2081 - 2120 Difference

For this talk: One-way downscaling GFDL-ESM to ROMS-CoSiNE Courtesy of Enrique Curchitser

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) Stratification (N2) SST Increase Enhanced

Comparison ¡of ¡Nutrients ¡and ¡Primary ¡Production ¡ Difference ¡= ¡(2030-­‑2049) ¡-­‑ ¡(1990-­‑2009) SiO4 NO3 Increase Increase more warm colors warm colors Decrease Decrease Primary SST Production Increase Increase warming more 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 ¡ Diatoms Phyto. Change ¡in ¡ ¡ opposite ¡direction Microzoo Mesozoo Mesozoo ¡ increase ¡ ¡ more ¡ ¡ Microzoo ¡ near ¡-­‑shore increase ¡ ¡ more ¡ ¡ off-­‑shore

Wind ¡ Decrease ¡ ¡ DIFF ¡= ¡ stress ¡ offshore ¡ ¡ (2039-­‑49)-­‑ ¡ less ¡ curl (1990-­‑09) ¡ upwelling 1990-­‑09 Increase ¡ ¡ near ¡coast ¡ ¡ more ¡ upwelling Along ¡ DIFF ¡= ¡ (2039-­‑49)-­‑ ¡ shore ¡ Increase ¡ ¡ (1990-­‑09) ¡ wind near ¡coast ¡ ¡ 1990-­‑09 more ¡ upwelling positive ¡

Wind ¡ Decrease ¡ ¡ DIFF ¡= ¡ stress ¡ offshore ¡ ¡ (2039-­‑49)-­‑ ¡ less ¡ curl (1990-­‑09) ¡ upwelling 1990-­‑09 Increase ¡ ¡ near ¡coast ¡ ¡ more ¡ upwelling Along ¡ DIFF ¡= ¡ (2039-­‑49)-­‑ ¡ shore ¡ Increase ¡ ¡ (1990-­‑09) ¡ wind near ¡coast ¡ ¡ 1990-­‑09 more ¡ upwelling positive ¡

Future ¡climate ¡change ¡impact ¡on ¡upwelling ¡systems Bakun ¡Hypothesis ¡ Poleward ¡migration ¡ of ¡pressure ¡systems ¡ Enhancement ¡of ¡ ¡ land-­‑ocean ¡ thermal ¡contrast ¡ ¡ along ¡the ¡coast ¡ Bakun ¡et ¡al. ¡ 2015 ¡

Vertical ¡Nutrient ¡Flux ¡Calculations % ¡= ¡[AVG(2030-­‑49) ¡– ¡AVG(1990-­‑09 ¡)] ¡ /AVG(1990-­‑09 ¡) 2 3 Changes ¡of ¡Vertical ¡Velocity ¡(W) ¡and ¡NO3 ¡and ¡SiO4 ¡ in ¡region ¡ 2 ¡ and ¡ 3 , ¡during ¡ April-­‑July 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%

Annual ¡Mean ¡NO3 ¡Flux ¡(0-­‑200m) ¡(kmol/s) 2030-­‑2049 1990-­‑2009 Net ¡NO3 ¡to ¡ ¡ Region ¡2 ¡& ¡3: ¡ 1.36 0.92 Rykaczewski and Dunne Difference ¡= ¡1 ¡ ¡ GRL, 2010 (4.14 ¡-­‑ ¡3.13) ¡ 2.95 2.00 1.47 2.33 0.26 0.25 -­‑0.01 0.30 Mixing Upwelling

Annual ¡Mean ¡NO3 ¡Flux ¡(0-­‑200m) ¡(kmol/s) 2030-­‑2049 1990-­‑2009 Net ¡NO3 ¡to ¡ ¡ Region ¡2 ¡& ¡3: ¡ 1.36 0.92 Rykaczewski and Dunne Difference ¡= ¡1 ¡ ¡ GRL, 2010 (4.14 ¡-­‑ ¡3.13) ¡ 2.95 2.00 1.47 2.33 0.26 0.25 -­‑0.01 0.30 Mixing Upwelling

Annual ¡Mean ¡NO3 ¡Flux ¡(0-­‑200m) ¡(kmol/s) 2030-­‑2049 1990-­‑2009 Net ¡NO3 ¡to ¡ ¡ Region ¡2 ¡& ¡3: ¡ 1.36 0.92 Rykaczewski and Dunne Difference ¡= ¡1 ¡ ¡ GRL, 2010 (4.14 ¡-­‑ ¡3.13) ¡ 2.95 2.00 1.47 2.33 0.26 0.25 -­‑0.01 0.30 Mixing Upwelling

Eddy ¡Kinetic ¡Energy ¡(EKE) ¡ Difference ¡= ¡(2030-­‑49) ¡-­‑ ¡(1990-­‑09) Increasing ¡EKE ¡in ¡the ¡central ¡ ¡ offshore ¡potentially ¡enhancing ¡ ¡ upper ¡water ¡nutrients

Eddy ¡Kinetic ¡Energy ¡(EKE) ¡ Difference ¡= ¡(2030-­‑49) ¡-­‑ ¡(1990-­‑09) Increasing ¡EKE ¡in ¡the ¡central ¡ ¡ offshore ¡potentially ¡enhancing ¡ ¡ upper ¡water ¡nutrients

Eddy ¡Kinetic ¡Energy ¡(EKE) ¡ Difference ¡= ¡(2030-­‑49) ¡-­‑ ¡(1990-­‑09) Increasing ¡EKE ¡in ¡the ¡central ¡ ¡ offshore ¡potentially ¡enhancing ¡ ¡ upper ¡water ¡nutrients