English
 
Help Privacy Policy Disclaimer
  Advanced SearchBrowse

Item

ITEM ACTIONSEXPORT

Released

Thesis

Variability of the contemporary Southern Ocean carbon fluxes and storage

MPS-Authors
/persons/resource/persons225900

Keppler,  Lydia
IMPRS on Earth System Modelling, MPI for Meteorology, Max Planck Society;
Observations, Analysis and Synthesis (OAS), The Ocean in the Earth System, MPI for Meteorology, Max Planck Society;

External Resource
No external resources are shared
Fulltext (public)

Web_BzE_235_Keppler.pdf
(Publisher version), 10MB

Supplementary Material (public)
There is no public supplementary material available
Citation

Keppler, L. (2020). Variability of the contemporary Southern Ocean carbon fluxes and storage. PhD Thesis, Universität Hamburg, Hamburg. doi:10.17617/2.3243301.


Cite as: http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0006-B3C8-E
Abstract
Around half of the ocean’s uptake of anthropogenic carbon from the atmosphere currently takes place in the Southern Ocean. However, the variability of this important carbon sink, as well as the drivers behind this variability, are still debated and it is unclear if the Southern Ocean will remain a carbon sink in the future. Until this PhD project, the development of the Southern Ocean carbon uptake at the air-sea interface was unknown based on observations beyond 2011. Furthermore, the seasonal to interannual variability of dissolved inorganic carbon (DIC) in the interior Southern Ocean had not been analyzed based on observations at regional scale. This dissertation closes these research gaps. In the first part of my dissertation (Appendix A), I investigate the Southern Ocean carbon flux and its drivers until 2016 using an updated observation-based air-sea carbon flux estimate. After a stagnation period in the 1990s, and a reinvigoration in the 2000s, I find that the Southern Ocean carbon uptake weakened again since about 2011. My study reveals that the Southern Annular Mode, the dominant mode of climate variability in the southern high latitudes, is not the driver behind this weakening due to opposing effects that cancel each other out. Instead, regional shifts in surface wind velocity modulate the recent evolution of the carbon uptake in the Southern Ocean. In the second part (Appendix B), I develop a monthly climatology of global mapped interior DIC fields using a neural-network mapping approach. Using this new data product, I describe the seasonal carbon dynamics at global scale, including the phase and amplitude of the surface seasonal cycle, how deep seasonal signals are detectable, and I estimate the net community production. In the third part (Appendix C), I increase the temporal resolution of my new data product to resolve monthly fields from 2004 through 2017. I then re-focus on the Southern Ocean to investigate the interannual variability of DIC in the water column and determine the potential drivers behind this variability. Using this second new data product, I demonstrate that sub-surface DIC is subject to significant decadal fluctuations. These fluctuations extend to at least 500 m and could be linked to changes in the Meridional Overturning Circulation. The methods and the publicly available data products I developed provide an opportunity for further analysis of the global carbon cycle. The findings from my PhD project represent an updated estimate of the carbon uptake and storage in the Southern Ocean and enable an improved description of the processes and drivers of variability. This knowledge forms an essential part of our understanding of the global carbon cycle and can, therefore, contribute to more accurate climate projections, forming an important basis for political decisions aimed at reducing carbon emissions
Im Südpolarmeer findet derzeit etwa die Hälfte der ozeanischen Aufnahme von anthropogenem Kohlenstoff aus der Atmosphäre statt. Über die Variabilität dieser wichtigen Kohlenstoffsenke sowie die Einflussfaktoren dieser Variabilität wird jedoch debattiert, und es ist unklar, ob das Südpolarmeer auch in der Zukunft eine Kohlenstoffsenke bleiben wird. Vor diesem Promotionsprojekt fehlte eine Abschätzung der atmosphärischen Kohlenstoffaufnahme des Südpolarmeers basierend auf Beobachtungsdaten die nach 2011 erhoben wurden. Des Weiteren wurde die saisonale und zwischenjährliche Variabilität des gelösten anorganischen Kohlenstoffs (DIC) im tiefen Südpolarmeer bisher noch nicht anhand von Beobachtungsdaten auf regionaler Ebene analysiert. Diese Dissertation schließt die bestehenden Forschungslücken. Im ersten Teil meiner Dissertation (Anhang A) untersuche ich die ozeanische Kohlenstoffaufnahme aus der Atmosphäre und deren Einflussfaktoren im Südpolarmeer bis 2016 anhand aktualisierter Beobachtungsdaten, die an der Meeresoberfläche erhoben wurden. Nach einer Stagnationsphase in den 1990er Jahren und einem Wiedererstarken in den 2000er Jahren, ermittle ich, dass die Kohlenstoffaufnahme im Südpolarmeer seit ca. 2011 erneut nachgelassen hat. Meine Studie zeigt, dass der Southern Annular Mode, der dominante Modus von Klimaschwankungen in den südlichen hohen Breitengraden, nicht der Einflussfaktor hinter diesem Abschwächen der Senke ist, da sich gegensätzliche Effekte aufheben. Stattdessen kontrollieren regionale Verschiebungen der Oberflächenwindgeschwindigkeit die jüngste Entwicklung der Kohlenstoffsenke im Südpolarmeer. Im zweiten Teil (Anhang B) etabliere ich ein Verfahren, das es erlaubt, mithilfe neuronaler Netzwerke die globale Tiefenverteilung von gelöstem anorganischen Kohlenstoff als monatliche Klimatologie abzubilden. Mit diesem neu entwickelten Datenprodukt beschreibe ich die saisonale DIC-Dynamik auf globaler Ebene. Diese Beschreibung erstreckt sich auf die Phase und Amplitude des saisonalen Zyklus an der Oberfläche und dessen Tiefenausdehnung, sowie eine Abschätzung der Nettoproduktion von organischem Kohlenstoff durch marine Lebensgemeinschaften. Im dritten Teil (Anhang C) erhöhe ich die zeitliche Auflösung dieses Datenprodukts, um auch die zwischenjährlichen Veränderungen der monatlichen DIC-Felder von 2004 bis Ende 2017 aufzulösen. Für die inhaltliche Interpretation der neu generierten Datensätze lege ich den Schwerpunkt erneut auf das Südpolarmeer, um hier die zwischenjährliche Variabilität des gelösten anorganischen Kohlenstoffs in der Wassersäule zu beschreiben und die möglichen Einflussfaktoren für diese Variabilität zu bestimmen. Anhand dieses zweiten neuen Datenprodukts zeige ich, dass der gelöste anorganische Kohlenstoff unterhalb der Meeresoberfläche signifikanten dekadischen Schwankungen unterliegt. Diese Schwankungen erstrecken sich mindestens über die oberen 500 m der Wassersäule und könnten mit Änderungen der meridionalen Umwälzzirkulation verbunden sein. Die von mir entwickelten Methoden und öffentlich zur Verfügung gestellten Datenprodukte eröffnen diverse Möglichkeiten zur weiteren Analyse des globalen Kohlenstoffkreislaufs. Die Ergebnisse meines Promotionsprojekts stellen eine aktualisierte Abschätzung der Kohlenstoffaufnahme und -speicherung im Südpolarmeer dar und ermöglichen eine erheblich verbesserte Beschreibung der beteiligten Prozesse und Einflussfaktoren. Dieses Wissen ist ein wesentlicher Bestandteil unseres Verständnisses des globalen Kohlenstoffkreislaufs und kann somit zu genaueren Klimaprojektionen beitragen. Damit bilden die Befunde auch eine wichtige Grundlage für politische Entscheidungen, die auf die Reduzierung der Kohlenstoffemissionen abzielen