Physical-biological interactions in the Northern Humboldt Upwelling Current System and the consequences to the absorption of carbon

Abstract

It has been hypothesized that global warming will strengthen upwelling-favorable winds in the Northern Humboldt Current System (NHCS) as a consequence of the increase of the land-sea thermal gradient along the Peruvian coast. The effect of strengthened winds in this region is assessed with the use of a coupled physical-biogeochemical model forced with projected and climatological winds. Strengthened winds induce an increase in primary production of 2% per latitudinal degree from 9.5∘S to 5∘S. In some important coastal upwelling sites primary production is reduced. This is due to a complex balance between nutrient availability, nutrient use efficiency, as well as eddy- and wind-driven factors. Mesoscale activity induces a net offshore transport of inorganic nutrients, thus reducing primary production in the coastal upwelling re-gion. Wind mixing, in general disadvantageous for primary producers, leads to shorter residence times in the southern and central coastal zones. Overall, instead of a propor-tional enhancement in primary production due to increased winds, the NHCS becomes only 5% more productive (+5 mol C m−2 year−1), 10% less limited by nutrients and 15% less efficient due to eddy-driven effects. It is found that regions with an initial strong nutrient limitation are more efficient in terms of nutrient assimilation which makes them more resilient in face of the acceleration of the upwelling circulation.

We use the same coupled physical–biogeochemical model to investigate the drivers and mechanisms responsible for the spatiotemporal variability of the partial pressure of carbon dioxide in seawater (pCO2) and associated air–sea CO2 fluxes in the NHCS. Simulated pCO2 is in good agreement with available observations with an average

absolute error of, approximately, 24 atm. The highly productive upwelling region, 300 km from the shore and between 5 and 17∘S, is shown to be a strong CO2 source with an averaged flux of 5.60 ± 2.94 mol C m−2 year−1, which represents an integrated carbon flux of 0.028 ± 0.015 Pg C year−1. Through a series of model experiments we show that the high pCO2 is primarily the result of coastal upwelling, which is incompletely compensated by biology. Specifically, the supply of dissolved inorganic carbon (DIC)-rich waters to the surface pushes pCO2 up to levels around 1100 atm. Even though biological production is high, it reduces pCO2 only by about 300 atm. We show that this relatively low degree of biological compensation, which implies an inefficient biological pump in the nearshore domain, results from a spatio-temporal de-coupling between the counteracting effects of biological production and the transport and mixing of DIC. The contribution of the outgassing and the processes affecting CO2 solubility, associated with the seasonal cycle of heating and cooling, are minor. Across the whole domain, the balance of mechanisms is similar, but with smaller amplitudes. We demonstrate that seawater pCO2 is more sensitive to changes in DIC and sea surface temperature, while alkalinity plays a minor role.

The role played by El Niño-Southern Oscillation (ENSO) on modulating the oceanic carbon emittance is assessed. pCO2 was inferred from a recent neural network methodology forced with outputs from a coupled physical-biogeochemical hindcast, which permits to reconstruct the interannual variability of pCO2 and associated air-sea CO2 fluxes from 1998 through 2015 at monthly timescales. Results show a large spatiotemporal variability of the CO2 exchange to nine El Niño and La Niña episodes throughout the period of analysis and within the coastal and equatorial upwelling region that variability results from combined ENSO-driven pCO2 and wind speed

variations. It is found that the relatively weak CO2 source behavior during an average Niño episode is mainly caused by a decrease of pCO2 which is partially compensated by more efficient gas exchange at the air-sea interface due to the strengthening of the upwelling-favorable winds, therefore increasing the CO2 transfer velocity. Conversely, the strong CO2 source behavior during an average La Niña episode results from more efficient upwelling which brings colder and CO2-rich waters to the surface, thus increasing pCO2 and the associated CO2 efflux. Moreover, it is estimated that during an average El Niño episode the total amount of carbon retained within the coastal and equatorial upwelling region in the NHCS is about half a million metric tons of carbon that normally would have been lost to the atmosphere as CO2. In contrast, during an average La Niña episode, one million metric tons of carbon is additionally emitted, largely contributing to the atmospheric CO2 accumulation.

Trabalhos anteiores trazem como hipótese que o aquecimento global sería responsável por intensificar os ventos favoráveis à ressurgência no Sistema Norte da Corrente do Humboldt (NHCS), sendo consequência do aumento do gradiente termal continente-oceano adjacente ao longo da costa Peruana. O efeito dos ventos intensificados nesta região é avaliado por meio do uso de um modelo acoplado físico-biogeoquímico for-çado com ventos perturbados e climatológicos. Resultados mostram que os ventos intensificados induzem um acréscimo na produção primaria de 2% por grau de latitude entre 9.5∘S e 5∘S. Em alguns importantes centros de ressurgência costeira a produção primaria é reduzida. Isso ocorre devido a um complexo balanço entre a disponibilidade dos nutrientes, a eficiência do uso dos nutrientes, bem como os fatores turbulentos e fatores associados ao vento. A atividade de mesoescala induz um transporte liquido dos nutrientes inorgânicos em direção ao oceano aberto, reduzindo assim a produção primaria na região da ressurgência costeira. A mistura induzida pelo vento leva a tempos de residência mais curtos na zona costeira sul e central, os quais são geral-mente desvantajosos para os produtores primários. Em geral, ao invés de obter um acréscimo da produção primaria proporcional à intensificação dos ventos favoráveis, o NHCS torna-se apenas 5% mais produtivo (+5 mol C m−2 year−1), 10% menos limitado pelos nutrientes, além de 15% menos eficiente devido a fatores turbulentos. É encontrado que as regiões com forte limitação inicial de nutrientes são mais eficientes em termos da assimilação dos mesmos, indicando que estas sejam mais resilientes perante a aceleração da circulação de ressurgência.

Dando prosseguimento, investigou-se os controladores e mecanismos responsáveis pela variabilidade espaço-temporal da pressão parcial do dióxido de carbono na agua do mar (pCO2) e dos associados fluxos do CO2 na interface ar-mar no NHCS. A pCO2 simulada representa bem as observações com um erro absoluto medio de, aproximada-mente, 24 atm. A região de ressurgência altamente produtiva, até os 300 km distante da costa, entre 5∘S e 17∘S, mostra ser uma forte fonte de CO2 com um fluxo medio de 5.60 ± 2.94 mol C m−2 year−1, a qual representa um fluxo de carbono integrado de 0.028 ± 0.015 Pg C year−1. Mediante uma série de experimentos demonstramos que os altos valores da pCO2 são causados principalmente pela ressurgência costeira, a qual é incompletamente compensada pela biologia. Em particular, o suprimento de águas ricas em carbono inorgânico dissolvido (DIC) à superficie leva os valores da pCO2 até 1100 atm. Embora uma alta produção primaria, a biologia contribui reduzindo a pCO2 em apenas 300 atm. Mostramos que este relativo baixo nível de compensação biológica, o qual sugere uma ineficiente bomba biológica no dominio costeiro, resulta de um desacoplamento entre os efeitos opostos da produção biológica e o transporte e mistura do DIC. A contribuição da desgasificação e dos processos que afetam a solubilidade do CO2, associados ao ciclo sazonal de aquecimento e resfriamento, são menores. Através de todo o dominio, o balanço dos mecanismos é similar, mas de amplitudes menores. Demonstramos também que a pCO2 é mais sensi-tiva às variações em DIC e SST, enquanto a alkalinidade desempenha um papel menor.

Além do mais, o papel do El Niño-Southern Oscillation (ENSO) na modulação da emissão oceânica do carbono foi investigado. A pCO2 foi inferida usando uma recente metodologia de redes neurais, a qual foi forçada com saídas de simulações de um modelo acoplado físico-biogeoquímico, que por sua vez permite reconstruir

a variabilidade interanual e os fluxos associados desde 1998 até 2015 em escalas mensais. Resultados mostram uma larga variabilidade espaço-temporal das trocas do CO2 devido a nove episódios El Niño e La Niña ao longo do periodo de análises. Dentro da região da ressurgência equatorial e costeira, essa variabilidade é resultado do efeito combinado das variações na pCO2 e na velocidade do vento, ambas induzidas pelo ENSO. Foi encontrado que o comportamento de fraca fonte de CO2 durante um episódio medio de El Niño é principalmente causado por um decréscimo da pCO2, a qual é parcialmente compensada por uma maior eficiência nas trocas de CO2 na interface ar-mar devido à intensificação dos ventos. Em contraste, o comportamento de forte fonte de CO2 durante um episódio medio de La Niña está relacionado a uma ressurgência mais eficiente do que condições neutrais, a qual leva águas mais frias e mais ricas em CO2 para a superficie induzindo um acréscimo da pCO2 e dos fluxos do CO2. Ademais, é estimado que durante um episódio medio de El Niño a quantia de carbono retido dentro da região costeira e equatorial é aproximadamente meio milhão de toneladas métricas de carbono que normalmente deveriam ser emitidas a mais para atmosfera. Em contraste, durante um episódio medio de La Niña, um milhão de toneladas métricas de carbono são adicionalmente emitidas contribuindo largamente para a acumulação do CO2 atmosférico.