GCOAST Modellsystem

ICON-Coast

Der globale Küstenozean bildet eine dynamische und komplexe Überganszone zwischen dem Land und dem Ozean. Er reguliert den Transport und Umsatz von biogeochemischen Substanzen, welche über Flusseinträge, Grundwasseraustausch, Küstenerosion und Überflutung in den offenen Ozean gelangen. Bakterielle oder biologische Zersetzung, advektiver Transport oder langfristige Einlagerung im Sediment beeinflussen sowohl globale Verteilungen und Bilanzen als auch die Integrität mariner Ökosysteme. Globale Erdsystemmodelle können küstenspezifische Prozesse bisher nicht adäquat abbilden. Mit dem neuen Modell ICON-Coast ist es gelungen, den globalen Küstenozean mit einer höheren Auflösung darzustellen und erstmalig physikalische und biogeochemische Transformationsprozesse in flachen Schelf- und Randmeeren zu berücksichtigen, um die Funktion der Küstenmeere auf globaler Ebene zu untersuchen und damit in die globale Erdsystemforschung zu integrieren.

ICON_ECOSMO bezeichnet die Kopplung des Ozeanmodells ICON-O (Korn et al. 2022) mit dem biogeochemischen Modell ECOSMO-E2E. Hierfür wird das FABM 1.0 Framework (Bruggeman & Bolding 2014) eingesetzt. Das Ziel diese Modellieransatzes sind regionale hochaufgelöste hydrographisch-biogeochemische Simulationen, die mithilfe eines irregulären unstrukturierten ICON Gitters in eine globale Simulation eingebettet sind.

ICON_ECOSMO_MERCY ist die Kombination des oben beschriebenen Modells ICON_ECOSMO mit dem marinen chemischen Transportmodell MERCY v2.0 (Bieser et al. 2023), das die Speziation, den Transport, die Umwandlung und die Bioakkumulation von Hg und MeHg in der Meeresumwelt simuliert, mit dem Ziel, anthropogene Hg-Freisetzungen mit MeHg in Meeresfrüchten in Verbindung zu bringen.

Icon Mesh Splitter (IMS, Logemann & Klockmann 2024) ist ein Linux-Konsolen-Tool zur Erzeugung von Rechengittern für ICON-Coast, ICON_ECOSMO oder ICON_ECOSMO_MERCY. Es werden globale Gitter erzeugt, die auf der ETOPO1-Topographie basieren (Amante & Eakins 2009). IMS beginnt immer mit einem einheitlichen ikosaedrischen Gitter der globalen Sphäre mit einer Auflösung von etwa 160 km. Der Benutzer definiert eine globale Matrix der gewünschten Gitterverfeinerungen, die IMS anweisen kann, das Gitter regional zu verfeinern, und erzeugt so ein irreguläres Gitter. Zusätzlich kann der Benutzer eine "Küstenverfeinerung" für die verschiedenen Verfeinerungsstufen aktivieren.

NEMO

In verschiedenen GCOAST-Setups werden der Ozean und das Meereis mit dem Nucleus for European Modelling of the Ocean (NEMO; Madec et al., 2017) und dem LIM3-Paket für Meereisdynamik und Thermodynamik simuliert. In GCOAST AHOI 1 und 2 sowie im Projekt CoastalFutures wird die Version 3.6 verwendet.

ECOSMO E2E

Grafik: H. Weidemann/ Hereon

Um Fragen im Zusammenhang mit dem food web in der Ostsee zu beantworten, haben wir das dreidimensionale gekoppelte Ökosystemmodell ECOSMO E2E (Daewel und Schrum, 2016) entwickelt, bei dem es sich um einen NPZD-Fisch-Modellierungsansatz handelt, der auf dem Ökosystemmodell ECOSMO II (Daewel und Schrum, 2013) basiert. Das Modell stellt sowohl Fische als auch Makrobenthos als funktionale Gruppen dar, die über Räuber-Beute-Beziehungen mit den unteren trophischen Ebenen verbunden sind (Abbildung). Das Modell ermöglicht die Untersuchung von Bottom-up-Auswirkungen auf die Primär- und Sekundärproduktion und die kumulative Dynamik der Fischbiomasse, aber auch von Bottom-up-Mechanismen auf die Produktion der unteren trophischen Ebenen. mehr dazu: https://www.hereon.de/institutes/coastal_systems_analysis_modeling/matter_transport_ecosystem_dynamics/models/index

Individuen-basierte Modelle für Fischlarven

Grafik: Daewel et al. 2015 (Fig. 2)

Die frühe Lebensgeschichte von Meeresfischen ist eine der wichtigsten Determinanten des Rekrutierungserfolges und ein wichtiger Engpass bei der Anpassung von Fischpopulationen an Klimaveränderungen und anthropogene Störungen. Individuen-basierte Modelle (IBMs), die das Verhalten einzelner Fische und ihre Wechselwirkungen mit der biotischen und abiotischen Umwelt simulieren, werden in der Fischereiwissenschaft häufig verwendet, um die Sterblichkeit von Fischen in frühen Lebensstadien wegen mangelnder Ernährung, Raubtierrisiko und nachteiliger Verbreitungswege zu untersuchen. Im Rahmen von CoastalFutures verwenden wir eigenständige oder gekoppelte Larven-IBMs, um besser zu verstehen, wie natürliche und anthropogene Stressfaktoren die Sterblichkeit und das Überleben von Fischlarven in der Nähe der Laich- und Aufzuchtgebiete der kommerziell wichtigen Fischarten in der Nord- und Ostsee beeinflussen. mehr dazu: https://www.hereon.de/institutes/coastal_systems_analysis_modeling/matter_transport_ecosystem_dynamics/models/index.php.de

MOSSCO-MAECS

The Modular System for Shelves and Coasts (MOSSCO, Lemmen et al. 2018) describes the near coastal and dry-falling bentho-pelagic system with GCOAST components SCHISM or GETM, FABM-coupled OMExDia biogeochemistry and trait-based plankton ecology MAECS. The strengths of this modeling system are the flexible and equitable coupling of many different components across domain interfaces leveraging ESMF and the adaptive description of physiological and behavioural sea life traits. It has been applied to represent successfully trophic cascading across the North Sea coastal gradient (Wirtz 2019, Xu et al. 2020), to describe the ecosystem impact of epistructural and epibenthic filtration (Lemmen 2018, Slavik et al. 2019).

The accumulation of chlorophyll-a concentration near the shore seen from satellites (ESACCI) is reproduced by MAECS thanks to resolving photoacclimationand the light dependence of top-down grazing; small planktivorous fish hides in turbid waters, what suppresses zooplankton. The time series shows short-term and long-term fluctuations in nitrate at LTER station Helgoland. Observation by AWI are mostly captured due to coupling to a realistic physical model (here GETM) and resolving changes in ecophysiologicalcommunity traits as well as temperature dependent food-web effects. (Wirtz 2019). Graphics: Wirtz/Hereon

OSMOSE Modell

OSMOSE ist ein Multi-Spezies- und Individuenbasiertes Modell (IBM) für Fischarten. Das Modell repräsentiert hierbei 12 wirtschaftlich interessante Arten (pelagisch und benthisch: Scholle, Schellfisch, Sprotte, Pollack, Kliesche, Sandzunge, Hering, Scholle, Dorsch, Wittling, Knurrhahn und Wittling) in der Nordsee. Das Modell geht von opportunistischer Prädation aus, basierend auf räumlichem Vorkommen und Größenangemessenheit zwischen einem Raubtier und seiner Beute. OSMOSE stellt die wichtigsten Prozesse des Lebenszyklus von Fischen dar (Wachstum, Fortpflanzung, Wanderung und Sterblichkeit). Fischindividuen werden in Schulen oder "Super-Individuen" gruppiert, die durch ihre Größe, Gewicht, Alter, Art und geografische Lage charakterisiert sind. OSMOSE ist ein 2D-Modell (horizontale Darstellung) mit einer Auflösung von 10 km im horizontalen Raster und läuft mit einem Zeitschritt von zwei Wochen. Um den Fischen Nahrungsquellen bereitzustellen, ist OSMOSE mit hydrodynamischen und biogeochemischen Modellen gekoppelt, hier NEMO-ECOSMO. Als Ausgabe werden verschiedene ökologische Indikatoren auf der Grundlage von Größe und Art auf unterschiedlichen Aggregationsniveaus produziert: auf der Artenebene (z. B. durchschnittliche Größe, durchschnittliche Größe im Alter, maximale Größe, durchschnittliche trophische Ebene, innerartliche Verteilung der trophischen Ebene) und auf der Gemeinschaftsebene (z. B. Steigung und Achse des Größenspektrums, Shannon-Diversitätsindex, durchschnittliche trophische Ebene des Fangs). mehr dazu: https://osmose-model.org/

TOCMAIM (Total Organic Carbon–Macrobenthos Interaction Model)

The model has been applied to the North Sea to investigate the spatio-temporal variability of macrobenthic biomass, sediment OC storage, benthic oxygen consumption and human impacts on sedimentary carbon storage. © 2024, Zhang, W. et al., CC BY 4.0. https://doi.org/10.1038/s41561-024-01581-4

TOCMAIM (Total Organic Carbon–Macrobenthos Interaction Model) is developed at Hereon to resolve the interactions between benthic fauna and early diagenesis of organic carbon (OC). Sedimentary OC is divided into three pools depending on its degradability: labile, semi-labile, and refractory. With a Neumann boundary condition of OC fluxes at the sediment–water interface calculated by the pelagic model component (ECOSMO), sedimentary OC content is solved by a mass balance equation in TOCMAIM, taking into account the impacts of oxygen-dependent first-order degradation, macrobenthic uptake, respiration and bioturbation. Temporal change of macrobenthic biomass is calculated on the basis of food availability in the form of OC, temperature, oxygen, and mortality caused by predation and bottom trawling. Bioturbation scales with macrobenthic biomass and is inversely related to local OC resource. Oxygen penetration depth is jointly determined by physical (sediment permeability, porosity, bedform and bottom current velocity) and biogeochemical (carbon remineralization) parameters. TOCMAIM is integrated into the sediment module (MORSELFE) of the 3D hydro-morphodynamic model SCHISM, so that the information of erosion/deposition calculated by the hydro-morphodynamic model can be directly transferred to TOCMAIM to update the fluxes

Globales hydrologisches Modell (HydroPy)

HydroPy (Stacke und Hagemann, 2021) ist ein modernes globales Hydrologiemodell, für dessen Aufbau keine Modellkalibrierung durchgeführt wurde. HydroPy benötigt in der Regel tägliche Eingabefelder für Niederschlag, 2m-Temperatur, abwärts gerichtete kurzwellige und langwellige Strahlung, 2m-spezifische Luftfeuchtigkeit, Oberflächendruck und 10m-Wind aus dem jeweiligen Forcing-Datensatz. Es gibt jedoch auch die Möglichkeit, nur den Niederschlag und die 2m-Temperatur zu verwenden. Vor kurzem wurde das Modell mit einer ersten Implementierung zur Berechnung der Stickstoffeinträge in Flüssen ausgestattet.

Der Modellcode und weitere Informationen sind verfügbar unter https://doi.org/10.5281/zenodo.4541380

Hydrologisches Abflussmodell (HD Modell)

Das HD-Modell (Hagemann et al., 2020) ist ein gut etabliertes Abflussmodell, das in einer Reihe von globalen und regionalen Modellsystemen implementiert ist. Wie in Hagemann et al. (2020) erwähnt, wurden im HD-Modell keine flussspezifischen Parameteranpassungen vorgenommen, um seine Anwendbarkeit für Studien zum Klimawandel und über Einzugsgebiete zu ermöglichen, in denen keine täglichen Abflüsse an einer flussabwärts gelegenen Station verfügbar sind. Um den Abfluss mit dem HD-Modell zu simulieren, verwendet es die täglichen oder untertägigen Eingabefelder für den Oberflächen- und Untergrundabfluss (Surface und Subsurface Runoff), die vom treibenden Modell, einem hydrologischen Modell wie HydroPy oder dem Landoberflächenschema eines regionalen Klimamodells, z. B. CCLM oder ICON-CLM, bereitgestellt werden müssen. Das HD-Modell kann auf globalen regelmäßigen Gittern mit einer horizontalen Auflösung von 0,5° oder 1/12° und auf regionalen Gebieten mit einer Auflösung von 1/12° betrieben werden. Für regionale Anwendungen über Europa, z. B. im Rahmen von GCOAST-AHOI 1 und 2, wurde es auf dem europäischen Gebiet angewendet, das die Landgebiete zwischen -11°W und 69°E und 27°N und 72°N umfasst. Das HD-Modell ist auch als externe Komponente in der Open-Source-Version 2024.10 (ICON partnership, 2024) von ICON enthalten.

Vor kurzem wurde das HD-Modell mit einem Rahmenwerk für den Transport biogeochemischer Stoffe und die Abgabe der entsprechenden Flussfrachten an den Ozean ausgestattet. Diese umfassen neben dem Frischwasserzufluss z.B. Stickstoff, Phosphor (Elizalde et al, submitted) oder PFAS (Simon et al, submitted).
Der Modellcode und weitere Informationen sind verfügbar unter https://doi.org/10.5281/zenodo.4893098