Chemical interaction between ocean and atmosphere

The exchange of chemical constituents between ocean and atmosphere provides potentially important feedback mechanisms in the climate system. The aim of this study is to develop and evaluate a chemically coupled global atmosphere-ocean model. For this, an atmosphere-ocean general circulation model with atmospheric chemistry has been expanded to include oceanic biogeochemistry and the process of air-sea gas exchange. The calculation of seawater concentrations in the oceanic biogeochemistry submodel has been expanded from DMS, CO₂

and N₂O to include also CO and isoprene (C₅H₈). Further new implementations comprise the possibilities to consider the nutrient import by rivers into the ocean, and the dust deposition as a source of silicic acid (Si(OH)₄) from silica (SiO₂) in addition to iron (Fe). Moreover, the climatological dust deposition can now be replaced by a simulated one from the atmospheric model. To evaluate the novel model system, a set of simulations under year-2000 conditions focusing on the major chemical interactions between ocean and atmosphere have been performed. With additional sensitivity studies the impact of a modified nutrient import from interactive dust deposition and from additional nutrient import by rivers has been assessed. To prepare the model system for studies on climatological time-scales, cloud parameterisation related parameters have been optimised for a suited model resolution. The simulations show robust and consistent responses of the model system to forcings in terms of interactive oceanic biogeochemistry. Deficiencies in the representation of oceanic net primary production (NPP) have been identified, depending strongly on the coupling frequency providing solar irradiance at the ocean’s surface. An approximately linear relationship between air-sea gas fluxes and surface water concentrations for the interactively simulated reactive species (DMS, C₅H₈, and CO) has been found. Additional nutrient import to the ocean by rivers shows only weak, insignificant impacts on the atmospheric composition, mostly due to the coarse resolution and the not well represented shelf areas. The modified dust deposition shows only a minor effect, although the interactively simulated amount of dust deposited into the ocean is twice as large as the previously used climatology. This weak impact of enhanced Fe and SiO₂ deposition is due to the limitation of phytoplankton growth by nitrate in aqueous phase (NO₃₋) in the main dust deposition regions. In summary, the chemically coupled model system is well prepared for applications in chemistry-climate research.

Der Austausch chemischer Stoffe zwischen Ozean und Atmosphäre stellt einen möglichen wichtigen Rückkopplungsmechanismus im Klimasystem dar. Ziel dieser Studie ist die Entwicklung und Evaluierung eines chemisch gekoppelten globalen Atmosphäre-Ozean-Modells. Dazu wurde ein Atmosphäre-Ozean-Zirkulationsmodell mit atmosphärischer Chemie um wichtige Prozesse der ozeanischen Biogeochemie und um den Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre erweitert. Zusätzlich zu Meerwasserkonzentrationen von DMS, CO₂ und N₂O berechnet das ozeanische Biogeochemiemodell nun auch die von CO und Isopren (C₅H₈). Weitere Neuerungen umfassen die Möglichkeiten Nährstoffeintrag aus Flüssen in den Ozean und Staubdeposition als Quelle von Kieselsäure (Si(OH)₄) aus Siliziumdioxid (SiO₂), neben Eisen (Fe), zu berücksichtigen. Des Weiteren kann die klimatologische Staubdeposition durch die interaktiv berechnete des Atmosphärenmodells ersetzt werden. Die Evaluierung des neuen Modellsystems erfolgte durch Simulationen unter gleichbleibenden Bedingungen für das Jahr 2000 und einer Analyse der wichtigsten chemischen Wechselwirkungen. Die Einflüsse modifizierter Nährstoffeinträge durch interaktive Staubdeposition und zustätzlicher Nährstoffeinträge aus Flüssen wurden anhand weiterer Sensitivitätsstudien abgeschätzt. Zur Vorbereitung des Modellsystems für Studien auf klimatologischen Zeitskalen wurden Parameter der Wolkenparametrisierung für eine entsprechende Modellauflösung optimiert. Das Verhalten des Modells mit interaktiver Biogeochemie ist stabil und die Ergebnisse sind konsistent. Defizite wurden bei der ozeanischen Primärproduktion identifiziert. Diese ist von der Kopplungsfrequenz abhängig, die die solare Strahlungsdichte am Ozeanoberrand beeinflusst. Es besteht eine nahezu lineare Abhängigkeit zwischen Ozean-Atmosphäre-Gasflüssen und ozeanischen Oberflächenkonzentrationen der interaktiv simulierten reaktiven Komponenten (DMS, C₅H₈ und CO). Zusätzlicher Nährstoffeintrag aus Flüssen bedingt geringe, nicht signifikante Einflüsse auf die atmosphärische Zusammensetzung, begründet in der groben Modellauflösung und der eingeschränkten Darstellung des Kontinentalschelfs. Die modifizierte Staubdeposition zeigt nur geringen Einfluss, obwohl der interaktive Staubeintrag in den Ozean doppelt so groß ist wie der zuvor benutzte klimatologische. Dieser schwache Einfluss erhöhter Einträge von Fe und SiO₂ wird durch die Limitierung des Phytoplanktonwachstums durch Nitrat (NO₃₋) in den Hauptdepositionsgebieten erklärt. Insgesamt ist das neue, chemisch gekoppelte Modellsystem für zukünftige Studien zur Klima-Chemie Wechselwirkung einsatzbereit.