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Abstract:
Prediction of marine ecosystems is one of the most challenging goals in climate science.
Although, over the last century, our understanding of how marine ecosystems change
in time has considerably improved, we have had a dismal record on predicting future
changes in key aspects of marine ecosystems, such as the fluctuations in fish stocks.
In the North Atlantic, one would expect high predictability in marine ecosystems,
because, this region is characterized by pronounced variability in oceanic conditions
and a strong climate-ecosystem coupling. Such an expectation is reinforced by the
remarkably high decadal predictability of oceanic conditions in global coupled models.
However, multifaceted challenges have prevented the transfer of high prediction skill
from the ocean to fish stocks. Here, using observations and a global coupled model, I
reveal that oceanic variability in the North Atlantic Subpolar Gyre (SPG) is the key to
decade long predictions in fish stocks in the shelf-seas of the eastern North Atlantic.
I begin with reconciling various conflicting views on SPG variability that have
emerged from the application of different SPG indices. While the size and strength of
SPG circulation has repeatedly been shown to influence physical and biogeochemical
variability in the eastern North Atlantic, recent studies are rather skeptical of an
active role of SPG circulation. I illustrate that the variability in the size and strength of
SPG circulation is a delayed oceanic response to wind stress variability and involves
meridional shifts of advective pathways in the Newfoundland Basin. This insight
allows me to clarify the dynamical basis of various SPG indices, and leads to the
conclusion that SPG indices based on barotropic streamfunction and largest closed
contours of sea surface height should be interpreted with caution. Thus, I establish a
close connection between the variability in SPG circulation and oceanic properties in
the eastern subpolar North Atlantic.
Further, I illustrate that the influence of SPG circulation also extends to the north
of the Greenland-Scotland Ridge. In the Faroe-Shetland Channel and the North Sea,
low frequency variability in oceanic properties is mainly driven by variability in SPG
circulation. A weak and contracted SPG circulation allows an enhanced throughput
of subtropical waters towards far eastern regions of the North Atlantic, including
the Barents Sea. Moreover, a volumetric water mass analysis in the regions north of
the Greenland-Scotland Ridge suggests that the SPG signal is more pronounced in
salinity than in temperature, which has implications on predictability.
Finally, I show that SPG-associated oceanic anomalies influence Barents Sea Cod
stock, whereas a long term declining trend in the North Sea Cod stock masks such an
influence. The variability in SPG temperature influences Barents Sea Cod biomass 7
years later. I combine this statistical SPG-Cod relationship with the dynamical multi-
year prediction of SPG temperature. Using such a dynamical-statistical prediction
system, the Barents Sea Cod biomass can be predicted 11 years in advance.
This dissertation, therefore, emphasizes the role of climate variability in the decadal
prediction of fish stocks, and also establishes the scope for management decisions at
decadal timescales. In this context, the variability in SPG circulation emerges as the
key factor in the predictability of Barents Sea Cod stock.
Abstract:
Vorhersagen von Meeresökosystemen sind eine der am schwierigsten zu realisieren-
den Ziele der Klimawissenschaften. Obwohl sich im Laufe des letzten Jahrhunderts
unser Verständnis von temporalen Veränderungen in Meeresökosystemen erheblich
verbessert hat, so weisen wir bisher dennoch eine erbärmliche Bilanz in der Vorhersa-
ge von Schlüsselaspekten von Meeresökosystemen, wie beispielsweise Fluktuationen
von Fischbeständen, auf. Im Nordatlantik würde man ein hohes Vorhersagepotenzial
von Meeresökosystemen erwarten weil diese Region von einer ausgeprägten natür-
lichen Variabilität ozeanischer Bedingungen sowie einer starken Klima-Ökosystem-
Kopplung geprägt ist. Diese Erwartung wird durch die bemerkenswert hohe dekadi-
sche Vorhersagbarkeit der ozeanischen Bedingungen in global gekoppelten Modellen
gestützt. Vielfältige Herausforderungen haben jedoch eine Übertragung dieser ho-
hen Vorhersagekompetenz vom Ozean auf die Fischbestände verhindert. In dieser
Dissertation zeige ich anhand von Beobachtungen und in einem global gekoppel-
ten Modell, dass die ozeanische Variabilität im nordatlantischen Subpolaren Gyre
(SPG) der Schlüssel zu jahrzehntelangen Vorhersagen über die Fischbestände in den
Schelfmeeren des östlichen Nordatlantik ist.
Ich beginne damit, verschiedene widersprüchliche Ansichten über die SPG-Variabi-
lität, die durch die Anwendung unterschiedlicher SPG-Indizes aufgetreten sind, in
Einklang zu bringen. Während wiederholt gezeigt wurde, dass die Größe und Stärke
der SPG-Zirkulation die physikalische und biogeochemische Variabilität im östlichen
Nordatlantik beeinflusst, sind neuere Studien eher skeptisch bezüglich einer aktiven
Rolle der SPG-Zirkulation. Ich veranschauliche, dass die Variabilität in Größe und
Stärke der SPG-Zirkulation eine verzögerte ozeanische Reaktion auf die Variabilität
des Windstresses darstellt und meridionale Verschiebungen von advektiven Strö-
mungen im Neufundlandbecken beinhaltet. Diese Erkenntnisse ermöglichen es mir,
die dynamischen Grundlagen verschiedener SPG-Indizes zu verdeutlichen und zu
schlussfolgern, dass SPG-Indizes, die auf der barotropen Stromfunktion sowie jene
die auf der größten geschlossenenen Kontur der Meeresoberflächenhöhe basieren,
mit Vorsicht interpretiert werden sollten. Auf diese Weise stelle ich einen engen
Zusammenhang zwischen der Variabilität der SPG-Zirkulation und den ozeanischen
Eigenschaften im östlichen subpolaren Nordatlantik her.
Weiterhin veranschauliche ich, dass der Einfluss der SPG-Zirkulation sich auch auf
Regionen nördlich des Grönland-Schottland-Rückens erstreckt. Im Färör-Shetland-
Kanal und in der Nordsee wird die niederfrequente Variabilität der ozeanischen
Eigenschaften hauptsächlich durch die Variabilität der SPG-Zirkulation bestimmt. Ei-
ne schwache und zusammengezogene SPG-Zirkulation ermöglicht einen verbesserten
Durchfluss von subtropischem Wasser in die fernöstlichen Regionen des Nordatlan-
tiks, einschließlich der Barentssee. Ferner deutet eine volumetrische Wassermassen-
analyse in den Regionen nördlich des Grönland-Schottland-Rückens darauf hin, dass
sich das SPG-Signal im Salzgehalt stärker als in der Temperatur niederschlägt, was
Auswirkungen auf die Vorhersagbarkeit hat.
Abschließend zeige ich, dass SPG-assoziierte ozeanische Anomalien den Barentssee-
Kabeljaubestand beeinflussen, wohingegen ein langfristig rückläufiger Trend im
Nordsee-Kabeljaubestand einen solchen Einfluss verschleiert. Die Variabilität der
SPG-Temperatur beeinflusst die Biomasse des Barentssee-Kabeljau mit einer Zeitver-
zögerung von 7 Jahren. Ich kombiniere diese statistische SPG-Kabeljau-Beziehung
mit der dynamischen mehrjährigen Vorhersage der Temperaturen im SPG. Mit solch
einem dynamisch statistischen Vorhersage-System kann die Biomasse des Barentssee-
Kabeljaues 11 Jahre im Voraus vorhergesagt werden.
Somit hebt diese Dissertation die bedeutende Rolle von Klimaschwankungen für
die dekadische Vorhersage von Fischbeständen im östlichen Nordatlantik hervor
und eröffnet ebenso den Spielraum für Managemententscheidungen auf dekadischen
Zeitskalen. Hierbei erweist sich insbesondere die Variabilität der SPG-Zirkulation als Schlüsselfaktor für die Vorhersagbarkeit des Barentssee-Kabeljaubestands.
