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• W2617941607 abstract "This study presents a model-based analysis of the North Sea oxygen dynamics in recent years. Special focus is put on the physico-biochemical interactions controlling the evolution of oxygen deficiency (i.e., oxygen concentrations <6 mg/L) during seasonal stratification and the role of nitrogen (N) inputs from external sources. A three-dimensional model system, consisting of the physical model HAMSOM and the biogeochemical model ECOHAM, is applied to the North Sea region for the period 2000-2014 using realistic forcing data ('reference run').Furthermore, a nutrient tracing method, called 'trans-boundary nutrient transports' (TBNT), is applied to N originating from different riverine and non-riverine sources. The TBNT method is expanded by a direct link of oxygen-consuming processes to individual N sources. By this, for the first time a detailed, quantitative analysis of the influences of individual N sources on the oxygen conditions in the North Sea is presented.The analysis of summer oxygen concentrations and potential influencing factors identifies the following key factors controlling oxygen: (sufficiently long) seasonal stratification as a prerequisite, high net primary production (NPP) as the major source of organic matter, and the size of the sub-thermocline volume (Vsub). Consequently, the North Sea can be subdivided into three different types in terms of oxygen: (1) a highly productive, non-stratified coastal zone, (2) a productive, seasonally stratified zone with a small Vsub, and (3) a productive, seasonally stratified zone with a large Vsub. Type 2 is identified to be most susceptible to oxygen deficiency and extends over wide parts of the southern and eastern central North Sea.Lowest simulated oxygen concentrations of less than 5.2 mg/L occur in the eastern central North Sea (about 56°N, 6°E; oxygen deficiency zone: ODZ) in 2002. Oxygen mass balances show that aerobic remineralisation accounts for roughly 85% of gross oxygen consumption (GOC) in the pelagic bottom layer of this region.It is further shown that NPP controls the year-to-year variability in the bottom oxygen conditions. Although counter-intuitive, even events of strong mixing, that cause a complete renewal of bottom oxygen, can result in a net decrease in bottom oxygen (in the sequel of the event) due to the enhancement of NPP and downward mixing of organic matter.The TBNT analysis reveals that GOC in the entire northern North Sea and most of the central regions is dominated by the North Atlantic N supply across the northern shelf edge. In contrast, the southern North Sea underlies a strong influence of the large Dutch (NL-1; Rhine and Meuse) and German (DE; Elbe, Ems, Weser), but also British rivers (UK-2; at the British east coast). Here, atmospheric N deposition also constitutes a remarkable source.Consequently, most of the GOC in the ODZ of the North Sea can be attributed to these N sources (roughly 85%). The North Atlantic accounts for the major contribution of about 41% averaged over 2000-2014. Atmospheric deposition contributes about 16% while the overall riverine contribution results in about 38%. This suggests that riverine N reductions may have a relevant positive effect on oxygen in the ODZ, provided carefully defined reduction targets.This is confirmed by a model scenario using N reductions ('reduction run') compliant with the European Union's Water Framework Directive (WFD). According to WFD implementation plans, zero and 5% reductions in N are applied to the British and Dutch rivers, respectively, relative to the loads of the reference run. High N reductions (consistent with a concentration of total N of 2.8 mg/L) are applied to the German rivers. Also, high reductions are applied to the French rivers and the Scheldt (50% and 37%, respectively).Due to the only minor reductions in the NL-1 and UK-2 rivers, minimum oxygen concentrations increased by only 0.3 mg/L in the ODZ relative to the reference run. This increase results mainly from the high reductions in the German rivers. In the 'Oyster Grounds' (about 54.5°N, 3 E) - a region well known for being susceptible to oxygen deficiency - the improvements are even less due to the large influence of the NL-1 and UK-2 rivers and the only minor N reductions. This suggests that WFD-compliant N reduction targets require revision. Die vorliegende Arbeit stellt eine modellgestutzte Analyse der Sauerstoffdynamik der Nordsee in der jungeren Vergangenheit dar. Der Fokus liegt dabei auf der Analyse des Zusammenwirkens der physikalischen und biochemischen Prozesse, die zur Ausbildung eines Sauerstoffdefizits (d.h., Sauerstoffkonzentration <6 mg/L) wahrend saisonaler Schichtung fuhren, sowie der Rolle von Stickstoffeintragen (N) auserer Quellen, wie z.B. Flussen. Hierzu wird ein dreidimensionales Modellsystem - bestehend aus dem physikalischen Modell HAMSOM und dem biogeochemischen Modell ECOHAM - unter Verwendung realistischer Antriebsdaten fur den Zeitraum 2000-2014 auf die Nordsee angewendet ('Referenzlauf').Zudem wird eine Methode zur Verfolgung von Nahrstoffeintragen - genannt 'trans-boundary nutrient transports' (TBNT) - auf N angewendet, welcher durch Flusse und andere Quellen in die Nordsee eingetragen wird. Die TBNT-Methode wird dahingehend erweitert, die Sauerstoff verbrauchenden Prozesse an die einzelnen N-Eintrage zu koppeln. Damit ist es erstmals moglich, die Einflusse individueller N-Eintrage auf die Sauerstoffdynamik der Nordsee zu quantifizieren.Die Analyse sommerlicher Sauerstoffkonzentrationen und moglicher Einflussgrosen identifiziert folgende Grosen als ausschlaggebend fur die Entwicklung des Sauerstoffs: (hinreichend lang anhaltende) saisonale Schichtung als Grundvoraussetzung, hohe Nettoprimarproduktion (NPP) als die wesentliche Quelle fur organische Substanz sowie die Grose des Volumens unterhalb der Sprungschicht (Vsub). Daraus ergibt sich eine regionale Unterteilung der Nordsee in drei verschiedene Typen in Bezug auf Sauerstoff: (1) eine sehr produktive, nicht geschichtete Kustenzone, (2) eine produktive, saisonal geschichtete Zone mit einem kleinen Vsub und (3) eine produktive, saisonal geschichtete Zone mit einem grosen Vsub. Typ 2 erweist sich als besonders anfallig fur die Bildung eines Sauerstoffdefizits und erstreckt sich uber weite Teile der sudlichen und ostlichen, zentralen Nordsee.Die Simulation weist die geringsten Sauerstoffkonzentrationen (<5,2 mg/L) in der ostlichen, zentralen Nordsee (bei etwa 56°N, 6°O; Sauerstoffdefizitzone: ODZ) im Jahr 2002 auf. Sauerstoffbilanzen zeigen, dass die aerobe Remineralisierung fur etwa 85% des Bruttosauerstoffverbrauchs (GOC) in der pelagischen Bodenschicht dieser Region verantwortlich ist. Weiterhin wird gezeigt, dass die NPP die jahrlichen Schwankungen in den bodennahen Sauerstoffbedingungen steuert. Zudem zeigt sich der unerwartete Effekt, dass selbst Ereignisse starker Vermischung, welche zunachst eine vollstandige Erneuerung des Bodensauerstoffs herbeifuhren, aufgrund der erhohten NPP und des zusatzlichen Exports von organischer Substanz in einer Nettoabnahme des Bodensauerstoffs resultieren konnen.Die TBNT-Analyse offenbart, dass der N-Eintrag des Nordatlantiks uber die nordliche Schelfkante den GOC in der gesamten nordlichen Nordsee und den meisten zentral gelegenen Regionen dominiert. Hingegen unterliegt die sudliche Nordsee einem starken Einfluss der Eintrage aus den grosen niederlandischen (NL-1; Rhein und Maas) und deutschen (DE; Elbe, Ems, Weser), aber auch britischen Flussen (UK-2; an der britischen Ostkuste). Hier spielt zudem die atmospharische N-Deposition eine wesentliche Rolle.Folglich ist der Grosteil des GOC in der ODZ der Nordsee den genannten N-Quellen zuzuordnen (etwa 85%). Der nordatlantische Eintrag tragt gemittelt uber 2000-2014 etwa 41% bei. Die atmospharische Deposition tragt etwa 16% bei, wahrend der Gesamtbeitrag der Flusseintrage sich auf etwa 38% belauft. Dies zeigt, dass N-Reduktionen in den Flussen durchaus einen relevanten, positiven Effekt auf die Sauerstoffbedingungen der ODZ haben konnen - sorgsam definierte Reduktionsziele vorausgesetzt.Dies wird durch ein Modellszenario untermauert, welches N-Reduktionen entsprechend der Wasserrahmenrichtlinie (WFD) der Europaischen Union anwendet ('Reduktionslauf'). Nach den geplanten WFD-Masnahmen werden in den britischen Flussen keine und in den niederlandischen Flussen nur geringe (5%) N-Reduktionen gegenuber dem Referenzlauf vorgenommen. Im Vergleich dazu sind die Reduktionen in den deutschen Flussen, welche sich aus einer Zielkonzentration fur Gesamt-N von 2,8 mg/L ergeben, relativ hoch. Ebenfalls hohe Reduktionen werden in den franzosischen Flussen (50%) und der Schelde (37%) vorgenommen.Infolge der nur geringen Reduktionen in den NL-1- und UK-2-Flussen erhohen sich die minimalen Sauerstoffkonzentrationen in der ODZ nur um maximal 0,3 mg/L verglichen zum Referenzlauf. Diese Zunahme ist im Wesentlichen auf die hohen Reduktionen in den deutschen Flussen zuruckzufuhren. In den 'Oyster Grounds' (etwa 54,5°N, 3°O) - eine Region, die bekanntermasen anfallig fur ein Sauerstoffdefizit ist - fallt die Verbesserung aufgrund des noch hoheren Einflusses der NL-1- und UK-2-Flusse und der geringen N-Reduktionen noch geringer aus. Dies legt nahe, dass eine Anpassung der WFD N-Reduktionsziele notig ist." @default.
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