Estimates of Arctic Ocean air-sea carbon fluxes for the period 2000–2017 from atmospheric inverse analyses

Technische Samenvatting: Schattingen van de lucht-zee koolstoffluxen in de Arctische Oceaan (2000–2017) op basis van atmosferische inverse analyses

Probleemstelling
Nauwkeurige kwantificering van de lucht-zee koolstoffluxen in de Arctische Oceaan is essentieel voor het begrijpen van de rol van deze regio in de wereldwijde koolstofcyclus, met name onder invloed van snelle klimaatverandering. Hoewel wordt geschat dat de Arctische Oceaan verantwoordelijk is voor 5% tot 14% van de wereldwijde oceanische CO2-opname, suggereren recente analyses dat dit potentieel afneemt door toegenomen zoetwaterstratificatie en verminderde saliniteitsbuffering. Bestaande schattingen vertrouwen zwaar op "bottom-up" methoden (geïnterpoleerde oppervlakte-p(CO2) en biogeochemische modellen) of "top-down" atmosferische inversies. Atmosferische inversieschattingen zijn echter zeer gevoelig voor de dichtheid en ruimtelijke verdeling van observatienetwerken. In de Arctische regio is de observationele dekking opvallend schaars en is het atmosferisch transport complex, wat aanzienlijke onzekerheden introduceert in regionale fluxschattingen. Er is een gebrek aan systematische evaluatie over hoe specifieke Arctische observatiestations de inverse schattingen van de lucht-zee CO2-flux beperken.

Methodologie
Deze studie maakt gebruik van het GEOS-Chem-Local Ensemble Transform Kalman Filter (GCL) inversie-analysesysteem om de lucht-zee CO2-fluxen voor de Arctische Oceaan (gedefinieerd als >58°N, inclusief RECCAP2 regionale maskers) te schatten voor de periode 2000–2017.

• Modelconfiguratie: Het GEOS-Chem atmosferische chemische transportmodel (v11-01) werkt met een horizontale resolutie van 2° × 2,5° met 47 verticale niveaus, aangedreven door GEOS-5 meteorologische gegevens.
• Data-assimilatie: De Local Ensemble Transform Kalman Filter (LETKF) assimileert atmosferische CO2-molefracties uit het NOAA ESRL GLOBALVIEWplus ObsPack v4.2 netwerk (116 oppervlaktestations wereldwijd) met intervallen van 7 dagen.
• Prior Fluxen: Het systeem maakt gebruik van prior fluxen inclusief fossiele brandstofemissies (Chevallier et al.), terrestrische biosfeeruitwisselingen (JULES) en lucht-zee CO2-fluxen afgeleid van Landschützer et al. (gebaseerd op SOCATv2 p(CO2)-distributies).
• Gevoeligheidsanalyse: Om de invloed van het observatienetwerk te beoordelen, voerden de auteurs gevoeligheidsexperimenten uit voor het jaar 2017. Deze experimenten omvatten het verwijderen van specifieke subsets van stations:
  • NO-ARCTIC: Verwijdering van alle Arctische stations.
  • NO-ALT: Verwijdering van het Alert (ALT) station (Canada).
  • NO-TIK: Verwijdering van het Tiksi (TIK) station (Rusland).
  • ALLGV: Het volledige netwerk inclusief alle stations.

Belangrijkste Resultaten

• Lange-termijn Gemiddelde Flux (2000–2017): De GCL posterior analyse geeft een netto atmosferische CO2-opname door de Arctische Oceaan aan van 56,0 ± 8,0 TgC yr⁻¹. Dit is aanzienlijk groter in magnitude dan de prior fluxschatting van 30,19 ± 13,8 TgC yr⁻¹, wat suggereert dat atmosferische observaties het systeem naar hogere opnamewaarden sturen.
• Regionale Variabiliteit:
  • Hoge Opnamegebieden: De grootste CO2-opname vindt plaats in de Baffinbaai (−15,51 ± 1,55 TgC yr⁻¹), de Westelijke Groenlandzee (−14,82 ± 0,81 TgC yr⁻¹), de Barentszzee (−11,16 ± 1,5 TgC yr⁻¹) en de Centrale Arctische Oceaan (−9,84 ± 0,75 TgC yr⁻¹).
  • Lage/Onzekere Opname: De Canadese Archipel, Beaufort-shelf, Chukchi-zee en Laptevzee vertonen matige opname, terwijl de Oost-Siberische en Karazee zeer zwakke opname vertonen.
  • Seasonaliteit: Maximale opname vindt plaats in de zomer (JJA), met name in de Chukchi-zee, gedreven door zee-ijs terugtrekking en biologische productiviteit. Winterfluxen (DJF) liggen nabij nul in het centrale bekken door de aanwezigheid van zee-ijs, terwijl open wateren in de Westelijke Groenlandzee en de Barentszzee doorgaan met het opnemen van CO2.
• Interjaarlijkse Variabiliteit (IAV) en Trends: De GCL-schattingen onthullen een hogere IAV dan de prior fluxen, met name in de Baffinbaai en de Canadese Archipel. Een trendanalyse voor 2000–2017 wijst op een versterking van de CO2-opname in de meeste regio's, met een totale Arctische trend van −36,8 ± 6,9 TgC yr⁻¹ per decennium. De Westelijke Groenlandzee vertoont de sterkste regionale trend (−14,5 ± 2,4 TgC yr⁻¹ per decennium).
• Gevoeligheid voor Observatiestations (2017):
  • Belang van het Netwerk: Het verwijderen van alle Arctische stations (NO-ARCTIC) resulteert in een posterior flux (−40,73 TgC yr⁻¹) die bijna identiek is aan de prior (−40,59 TgC yr⁻¹), wat bevestigt dat Arctische stations cruciaal zijn voor het beperken van de inversie.
  • Station ALT (Alert, Canada): Het verwijderen van ALT vermindert de totale Arctische opnameschatting met 31 ± 7,3 TgC yr⁻¹ (van −63,24 naar −32,14) en vergroot de onzekerheid aanzienlijk.
  • Station TIK (Tiksi, Rusland): Het verwijderen van TIK verhoogt de totale Arctische opnameschatting met 3,2 ± 9,0 TgC yr⁻¹.
  • Regionale Gevoeligheid: Het verwijderen van specifieke stations verandert de fluxschattingen voor specifieke subregio's drastisch. Zo vermindert het verwijderen van ofwel ALT ofwel TIK de geschatte opname in de Baffinbaai met ~15–17 TgC yr⁻¹. Omgekeerd verhoogt het verwijderen van TIK de opname in de Westelijke Groenlandzee met ~9,4 TgC yr⁻¹.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat het huidige netwerk van atmosferische CO2-observatiestations in de Arctische regio een vitale beperking biedt voor inverse schattingen van regionale lucht-zee fluxen. De studie toont aan dat de GCL posterior fluxschattingen zeer gevoelig zijn voor de inclusie of exclusie van specifieke stations, met name Alert (ALT) en Tiksi (TIK).

De auteurs benadrukken een kritiek datagat: atmosferische CO2-observaties van het Tiksi-station zijn niet langer beschikbaar in de GlobalView-database voor de jaren na 2018. De gevoeligheidsanalyse geeft aan dat het verlies van deze tijdreeks een belangrijke beperking wegneemt voor het schatten van oppervlakte koolstoffluxen in verschillende regionale zeeën (waaronder de Westelijke Groenlandzee, de Beaufort-shelf, de Karazee en de Barentszzee). Bijgevolg concludeert het artikel dat het uitbreiden van het huidige schaarse netwerk van atmosferische CO2-observatiestations noodzakelijk is om robuustere en betrouwbaardere schattingen van regionale lucht-zee CO2-fluxen te verkrijgen in de snel veranderende Arctische omgeving.