Klimaendringer og menneskelig aktivitet: påvirkning på økosystem. Frode B. Vikebø Programleder Havforskningsinstituttet

Transkript

1 Klimaendringer og menneskelig aktivitet: påvirkning på økosystem Frode B. Vikebø Programleder Havforskningsinstituttet

2 Outline Kunnskap om særtrekk ved økosystem på tvers av breddegrader: er avgjørende for å forstå effekter av klimaendringer Nordatlanteren inkluderer tempererte, boreale og arktiske økosystem Historiske klimafluktuasjoner: gir kunnskap om potensielle effekter av ulike klimatilstander klimaindikatorer som AMO og NAO indikerer klimavariasjoner på ulike skalaer (romlige og temporære) Nøkkelprosesser, betingelser og habitater: koblet til en arts livssyklus gir begrensninger i mulighetene for tilpasning til klimaendringer tilpasning ved akklimatisering eller gjennom evolusjon

3 Primær produksjon Planteplankton oppblomstring: hovedsakling styrt av tilgjengelig lys, oppblanding av næringssalter og regenerering av næringssalter fra organisk materiale. Boyd et al. (2014), IPCC IPCC AR WG Fig.

4 6 Våroppblomstringssystemer The Ocean 1B Særtrekk:(a) >30oN sesongsyklus i pp. >60oN sesongssyklus i pp. og lite pp. om vinteren 60 0 Fiskearter tilpasser 6seg ved å gyte under våroppblomstring Vintermiksing prekondisjonerer 1A våroppblomstring Match-mismatch er en viktig rekrutteringshypotese Chlorophyll a concentration (mg m 3) 80 1A High-Latitude Spring Bloom Systems (HLSBS) 1A. HLSBS-North 1B. HLSBS-South 2. Equatorial Upwelling Systems (EUS) Semi-Enclosed Seas (SES) 3 4. Coastal Boundary Systems (CBS) 4. Eastern Boundary Upwelling Ecosystems (EBUE) 2 Sundby et al. Boreale og arktiske økosystem har herbivore dyreplankton6 som avsetter fett for overvintring 0.03 High-Latitude North Atlanti 6. Subtropical Gyres (STG) IPCC (2014) AR 7. Deep Sea (DS; WG2 >1000 m)fig B 1B Lokale fiskearter er inaktive (sild), vandrer sør (makrell) eller går på alternativt bytte (torsk) 6 Figure 30-1 (a) Separation of the world s oceans into se The chlorophyll-a signal measured by SeaWiFS and averag (with the caveats provided in Box CC-PP). Ecosystem struc sub-regions shown. The map insert shows the distribution catch and area for each ocean subregion. Left panel: avera bars (subregions HLSBS-North, CBS, and EBUE) cover 19% productivity of the ocean sub-regions are listed in Table SM our understanding of the dynamics of glacie too limited to assess their likelihood or provid upper boundary for sea level rise (WGI AR4 SP temperature and density have been identified a to alter large-scale ocean circulation. AR4 concl to the Meridional Overturning Circulation (MOC 7 (b) Sundby et al Dept FIGURE 1 The seasonal light cycle strongly structures the phytoplankton production at high latitudes, and this effect cascades to higher tr levels. Right panel shows latitudinal variation in daylight length for the two solstices (about 21 June and 22 December) and for the two equinoxes (about

5 444 Forskjellige strategier for å møte lite mat om vinteren set of ecosystems connected by spatial flows of energy, materials and organisms across ecosystem boundaries (Loreau et al. 2003). Behaviourally driven flows between systems have received increasing attention during the last decade (Polis et al. 1997; Willson et al. 1998), but quantification of fluxes is rare. Although less conspicuous than predators feasting on salmon at river mouths (Willson et al. 1998), the resource transport of Norwegian spring-spawning (NSS) herring Clupea harengus is impressive by its magnitude and impact. NSS herring is one of the world s largest fish stocks, currently with a spawning stock biomass of about tonnes, or about individuals. The population size has fluctuated during the last century, with peak size in the mid 1940 s ( tonnes in 194) and a record low after the collapse in the late 1960 s and early 1970 s (2 103 tonnes in 1972) (Toresen and Østvedt 2000). The life cycle of NSS herring is spatially complex (Holst et al. 2002; Huse et al. 2002). The mature part of the population perform a yearly loop-like migration throughout the Norwegian Sea and along the Norwegian coast; feeding in the ocean during summer, overwintering in fjords in northern Norway, and spawning at coastal banks further south in February March (Fig. 1). Feeding takes place during a short pulse of intensive zooplankton production in spring and summer (Dalpadado et al. 2000; Østvedt 19), and the copepod Calanus finmarchicus is by far the most important prey (Dalpadado et al. 2000). After the feeding period food is sparse in this high latitude system Norsk vårgytende sild Atlantisk makrell Winter retreat Fig. 1 The distribution, migration, and energy transport by Norwegian spring-spawning herring. Left: catches from the Norwegian Sea and the Norwegian Coast ( ) included in the study. Catches are presented for the feeding period (March September) with a separate colour for each month. Lower right: the main feeding, overwintering and spawning area accompanied by the energy transport caused by NSS herring. The cake in the feeding area is energy consumed during the feeding period from which 17% (grey and black) is transported to the coast, and 7% (black) is left as reproductive output at the spawning grounds. Black arrows indicate migration direction. Upper right: outline of Northern Europe and the main ocean currents of the study area: Norwegian Atlantic Current (red), Norwegian Coastal Current (green) and East Greenland Current (blue). Gulf of Maine Research Institute made the herring drawing Kopierer livsyklusen til C.finmarchicus: overvintrer dypere i vannsøylen med lav aktivitet Varpe et al. 200 Vandrer sør om vinteren for å beite: vandrer på tvers av breddegrader for å unngå matmangel om vinteren Nøttestad et al. 2016

6 Naturlig variabilitet og klimaendringer Historiske klimafluktuasjoner: Må skille mellom naturlig variabilitet og endring Paleodata indikerer at AMO er et permanent trekk med en periode på år Arktisk forsterkning i temperaturøkning under klimaendringer Endringer utover historisk klima nærmer seg raskt (a) Climate warming Index of temperature change (climate change; 30.%) Spectral Power (b) Atlantic Multi-decadal Oscillation (AMO) Index of temperature change (AMO; 17.%) Period (years) Annual mean -year running mean IPCC (2014) AR WG2 Fig. 6.8, based on Edwards et al and Kilbourne et al. 2014

7 IPCC 6,0 Temperaturen i Barentshavet Kolasnittet Red: Anthropgenic climate change Green: Atlantic Multidecadal signal Blue: Annual variability,,0 Temperature 4, 4,0 3,? 3,0 2, Year Svein Sundby, IMR

8 Index of temperature ch (AMO; 17. Index of temperature ch (climate change; Annual mean Effekter på dyreplankton Men, artene må kunne tilpasse seg det nye miljøet Chapter N 20 6 N 20 Index of temperature Latitudes change (AMO; 17.%) N N 0 N mean 10. Annual 10. SST (in C) Index of temperature change (climate change;latitudes 30.%) 1 0 N N 20 W ( ) 0 E E 10 E (c) Temperature regime Longitudes 6 N (e) Warm-temperate pseudo-oceanic species E N % of the geographical cells have a temperature regime between 9 and 10 C 4 N -year running mean 20.2% of the geographical cells have a temperature regime between 9 and 10 C 4 N W 0 E E 10 E (d) Temperature regime ( ) Longitudes 1 E N N 60 N N N N 0 N 9. 0 N 72.1% of the geographical cells have a temperature regime between 9 and 10 C (f) Temperate pseudo-oceanic species 4 N W 0 E E 10 E E 20.2% of the geographical cells have a temperature regime between 9 and 10 C 0 N 4 N W 0 E E E 1 E Longitudes Longitudes 60 N (e) Warm-temperate pseudo-oceanic species 0 N Mean number of species per assemblage SST (in C) Videre oppvarming forventes å forsterke slike forskyvninger 10 (d) Temperature regime ( ) (b) Atlantic Multi-decadal Oscillation (AMO) Latitudes Observerte endringer i f.eks dyreplankton fordelinger (c) regime ( ) Climate warming (a)temperature Latitudes Storskala klimasvingninger påvirker økosystemet -year running mean 20 Ocean Systems Historiske klimafluktuasjoner: IPCC (2014) AR WG2 Fig. 6.8, based on Edwards et al and Beaugrand et al. 2008, 2009 ber of species per assemblage 60 N Figure 6-8 Multi-decadal changes in ecosystem structure in the Northeast Atlantic driven by warming from both anthropogenic climate change and natural climate variability (a) Index of temperature change over the North Atlantic (31 N to 6 N and 99 W to 11 E) reflecting climate change. This index is the first principal component (i.e., explaining 30.% of0 N observed variability) based on a principal component analysis (PCA) performed on sea surface temperature. (b) Index of temperature change (17.% of observed variability) reflecting the Atlantic Multi-decadal Oscillation (AMO). The index is the second principal component. (c, d) Observed mean annual sea surface temperature 0.00in the North Sea during (c) and (d). The location of the critical thermal boundary (9 C to 10 C) is indicated by +. (e) Long-term changes in the mean number of warm-temperate pseudo-oceanic species from 198 to 200. (f) Long-term changes in the mean number of temperate pseudo-oceanic species from 198 to 200. The period waspseudo-oceanic a period of relativespecies stability and the period was a period of rapid northward shifts, indicating that the abrupt ecosystem shift observed in the North (f) Temperate Sea was part of a large-scale response of the zooplankton biodiversity to warming temperatures (see a d). Average values are below 1 because they are annual averages. Note that the color bar is 10-fold smaller for warm-temperate pseudo-oceanic species because these species are less frequently observed than their temperate counterparts. Panels (a) and (b) from Edwards et al. (2013), and (c) (f) from Beaugrand et al. (2008, 2009).

9 REVIEW published: 1 March 2016 doi: /fmars The North Atlantic Spring-Bloom System Where the Changing Climate Meets the Winter Dark Svein Sundby 1 *, Kenneth F. Drinkwater 1 and Olav S. Kjesbu 2 1 Department of Oceanography and Climate, Hjort Centre for Marine Ecosystem Dynamics, Institute of Marine Research, Bergen, Norway, 2 Hjort Centre for Marine Ecosystem Dynamics, Institute of Marine Research, Bergen, Norway Kan tempererte herbivore dyreplanktonarter tilpasse seg betingelser med lite planteplankton gjennom vinteren ved å lagre fett for overvintring? I følge forfatterene her representerer dette en avgjørende barriere mellom tempererte og boreale økosystem som kan få store effekter på arter høyere i næringskjeden. Tilsvarende barriere finnes ikke mellom boreale og arktiske økosystem.

10 10 10 Local extinctions m per decade Klimaendringer påvirker globalt potensial for fiskefangst Original distribution 0 (d) Deepper Deeper Depth Change in maximum catch potential > 100% 0 to 100% 20 to 49% to 19% 0 to 4% no data to 1% 20 to 6% 0 to 21% < 0% (e) Change in maximum body weight Endring i maksimalt potensial for fiskefangst (SRES A2 = RCP6.0): Ved å bruke dynamic bioclimate envelope model koblet til prediksjonsmodeller for PP. > 0% 31 to 0% 16 to 30% 1 to 1% Total global maksimal fiskefangst uforandret men betydelig refordeling 0% Peker på usikkerhet (AO, data, tilpasning, ESM) no data 1 to 1% 30 to 16% IPCC (2014) AR WG2 Fig. 6.14, based on Cheung et al to 31%

11 Klimaeffekter fra individer til populasjoner Termale flaskehalser: Temperaturbegrensinger er stadieavhengig Termal toleranse knyttet til oksygenbehov Tidlige livstadier (rask utvikling) og gytende fisk er spesielt sensitiv Fostå effekter av klimaendring krever kunnskap om underligende mekanismer Tilpasning: assemblages, risks of species extinctions, and ecosystem functioning. (a) Thermal windows for animals: limits and acclimatization Scope for aerobic performance High Low Cold T opt T p Temperature range Hvilken mulighet har arter til å tilpasse seg gjennom akklimatisering eller evolusjon? Hvordan vil økende temperaturer acclimatization påvirke and adaptation gytetidspunkt og overlapp med egnet føde? T c threshold line anaerobiosis T d 14 Performance curve under normal conditions 12 Oppvarming og sterkere vinder vil ha motsatt effekt på våroppblomstring T p loss of performance and abundance T c denaturation Warm Monthly DST T (ºC) Performance curve options under elevated CO 2 or in hypoxic water or both Maximum heat limits of animals and plants are close (b) Thermal window widths across life st Spawners Growing adults Juveniles Eggs, early larvae Aerobic thermal window IPCC (2014) AR WG2 Fig. 6., based on Po rtner and Farrell, 2008 Temperature rang T opt Optimum temperature (performance maximum) T p T c Cold Pejus temperatures (limit to long-term tolerance) Critical temperatures (transition to anaerobic metaboli T d Denaturation temperatures (the onset of cell damage) Figure 6- Thermal specialization of an organism explains the why, how, when, and where of 0 climate sensitivity. (a) The thermal tolerance range and perfo organism are described by its performance curve (exemplified for an animal). Each performance -2 (e.g., exercise, growth, reproduction) is maximal at its optim Jan. Feb. Mar. Apr. May June July Aug. Sept. Oct. Nov. Dec. and becomes progressively constrained during cooling or warming. Surpassing the first low- and high-temperature thresholds (T p ; p, pejus: getting worse) me time-limited tolerance. Once further cooling or warming surpasses the next low or high thresholds (T Time (month) c ; c, critical), oxygen availability becomes insufficient and metabolism begins. Denaturation temperatures (T d ) are even more extreme and characterized by the onset of damage to cells and proteins. Horizontal arrow and T d thresholds of an individual can shift, within limits, between summer and NFR-project winter (seasonal acclimatization) ScaleClim or when the species Kjesbu adapts et to al. a cooler 2010or w generations (evolutionary adaptation). Under elevated CO 2 levels (ocean acidification) and in hypoxic waters performance levels can decrease and thermal w

12 Havsirkulasjon i Nord-Atlanteren Domineres av nordgående Atlantisk vann og sørgående Arktisk vann. Om lag 8 Sverdrup Atlantisk vann strømmer nord langs den Norske sokkelen. Avgir varme til atmosfæren og bidrar til at lufttemperaturen er om lag 10oC høyere enn breddegradsgjennomsnittet. Fra Klima i Norge 2100

13 Naturlig variabilitet NAO: gjenspeiler styrken på atmosfærisk transport av varme fuktige luftmasser mot Norge. AMO: overflatetemperatur i nordatlanteren. Kola-T: temperatur i Kola-snittet i Barentshavet mellom 0-200m dyp (Pinro, Murmansk). Temperaturmålinger i kjernen av Atlantisk vann gjennom ulike snitt fra Norskekysten ved om lag 62 o N til Barentshavsåpningen i sørvest. Norskehavet når temperaturtoppen noen år før Barentshavet. Fra Klima i Norge 2100

14 Kystklima Temperatur i øvre lag er i stor grad påvirket av lokale meteorologiske forhold, mens i 200 m er de knyttet til endringer i Atlantisk vann. Ca 0. o C av temperaturøkningen i 200 m dyp i siste 10-års periode skyldes observert global oppvarming, mens 0.2 o C skyldes naturlig variasjon. Fra Havforskninsrapporten 201 v. Jan Aure

15 SSH [cm] Den norske klimaprediksjonsmodell Basert på den norske jordsystemmodell (NORESM) og avansert data assimilering (EnKF) Observert overflatetemperatur blir brukt til å holde modellen i sjakk Eksempel: Den nordatlantiske subpolare gyre. Viktig for klima og økosystem 0 Obs Analysis Free Figur: Francois Counillon Sterk Gyre Year à Sesong til dekadevarsling er på vei Svak Gyre

16 Transport av raudåte til kysten er avgjørende næringsgrunnlag for fiskelarver Habitat selection of Calanus finmarchicus 349 Raudåte overvintrer på 200 m ofdyp Figure00 9. Life cycle distribution Cal- i anus finmarchicus in the northeastern Norskehavet. Norwegian Sea and the western Barents Sea: a conceptual figure showing the pathways between the oceanic and shelf systems. See text for explanations. The cruise track for 2002 is superimposed as a black stippled line. Vandrer mot overflaten og gyter samtidig med våroppblomstring i mars-april. Strøm fra åpent hav mot kyst frakter livsviktig føde til fiskelarver anus population that is actually transported into the Barents Sea each summer is influenced by the varibasert påability obs of the inflow of Atlantic water between Bear Island and the Norwegian coast (Helle and Pennington, 1999). However, this inflow has been shown to be highly variable on times scales of days and months, and the position of the inflowing/outflowing cores also vary significantly (Ingvaldsen et al., 2002). This implies that the successful invasion of the Barents Sea each year cannot be predicted on the basis of the average inflow during spring, but may be dependent on the population density in these overwintering aggregations as well as the timing of ascent and the outflow/inflow regime across the Barents Sea Opening. A study of the interannual variation in abundance of C. finmarchicus at the Kola section in the eastern Barents Sea did not show any correlation between abundance and the North Atlantic Oscillation index (Halvorsen et al., unpublished), an index that might be considered as a proxy for the inflow of Sundby, Atlantic water to the Barents Sea 2000 (A dlandsvik and Loeng, 1991; Hurrell, 199; Dickson Halvorsen et al water in the Bear Island Trough (Haugan, 1999; Furevik, 2001) and the rather constant westward bottom flow in the northern part of the trough (Ingvaldsen et al., 2002) would transport the animals off shelf and back into the Norwegian Sea. However, considering the high predation pressure in the Barents Sea, and the rather limited area for return transport, it is unlikely that this pathway is important for the persistence of the Norwegian Sea population at large. Below the highly flushed surface water along the continental shelf and in the Lofoten Basin the descending Calanus encounters colder, low velocity water masses in which they reside throughout the winter, possibly trapped within frequently occurring semi-permanent mesoscale eddies. The studies of Poulain et al. (1996) indicated that there is little exchange of surface water across the ridges separating the basins of the Nordic Seas (Icelandic, Greenland and Norwegian Sea). It is possible that part of the C. finmarchicus population is advected Opdal & Vikebø southwards with the NSDW across the Vøring201 Plateau

17 Energitransport fra hav til kyst the fat conveyor-belt Oecologia (200) 146: DOI /s ECOSYSTEM ECOLOGY Øystein Varpe Æ Øyvind Fiksen Æ Aril Slotte Meta-ecosystems and biological energy transport from ocean to coast: the ecological importance of herring migration NSS sild beiter i Norskehavet og bringer energi til kyst ved overvintering og gyting. Rundt 1.3 mill tonn biomasse legges på havbunn i form av egg. Bentiske organismer kan beite på sildeegg mens sildelarver er mat for både makrell og sjøfugl. Nordlig utbredelse av makrell og økt beitetrykk på sildelarver skaper trøbbel for Lunde på Røst.

18 Spredning av fiskelarver påvirker plassering av sjøfuglkolonier Biofysisk modell som kobler havsirkulasjon, tidlige livsstadier av fisk og kunnskap om sjøfuglkolonier Områder med høy konsentrasjon av fiskelarver sammenfaller med sjøfuglkolonier

19 Havmodell-arkiver Ø SVIM-arkivet (4 km gitter, ) brukes ofte. Døgnmidler. Ø NORKYST800 (800 m gitter) tilgjengelig for , med timesverdier. Ø Høy romlig oppløsning og et stort område er regnekrevende. Nordic Seas 4 km gitter Ø Løsning: redusere området, begrense oppløsning, begrense perioden. Ø Effekter av naturlig variabilitet på marine arter krever modellarkiver som dekker flere år og som løser opp nøkkelprosesser. Hvilke prosesser er det? NORKYST m gitter

20 NorShelf-2.4km m/s dekker de mest dynamiske delen av Norskehavet horisontaloppløsning tillater 2-dagers analysevindu med linær dynamikk observasjoner tilsier at oppløsningen er egnet for området brukes direkte eller som randbetingelser for kyst- og fjordmodeller (Norkyst-800m) temperaturobs >> salinitetsobs for assimilering hindcast tilgjengelig for , reanalyse blir tilgjengelig snart (i år) 20

21 Modelling C. fin. availability to larval fish Comparison between Nor4km model (solid lines with shaded areas indicating as ingle standard deviation from the mean) and field measurements for Station M (circles). The NPZD-model SINMOD includes an Eularian stage-dependent C. finm. model coupled to the physical and ecological model SINMOD. The model setup covers the Nordic Seas on a 4x4 km grid in 34 vertical levels and is evaluated against measurements for 1997 and The C. finm. model produces no vertical structure and represent prey for larval fish as abundance per m-2. For feeding purposes naupliis and copepods are assumed to adapt to the distribution of food. High chlorophyll levels may advance the ascent in time by up to 2 days. Bottom topography in nested domain coupled to an fish egg and larval IBM.

22 C. fin. stage development at Røst during 2001 MODIS time of spring bloom

23 Mortality as function of spatiotemporal spawning under decreasing C. fin. concentrations Mortality due to starvation during 2001 when diluting prey availability by 1, 4, 8, 12, 20 and 30 times is more pronounced for late spawned individuals and at the northern and southern SGs. Mortality is here defined as an incident during the larvae life where metabolic costs are greater than energy uptake through food so that it shrinks in size more than 1 %.

24 Prosesser som knytter samme hav og kyst Vi trenger mer kunnskap og bedre forståelse av prosesser som knytter sammen kyst og hav: Havstrømmer bringer passivt flytende marine organismer og menneskelig avfall på tvers av fjord-kyst-hav Gytevandring og beitevandring gir habitater som strekker seg på tvers av det overnevnte kompleks Menneskelig aktivitet foregår ofte i grenseland mellom kyst og hav: Petroleumsaktivitet Fiskerier Transport Eksponert havbruk Gode observasjoner av prosesser avdekker både middelverdi og variabilitet Samspill mellom observasjoner fra gode observasjonsplatformer, analytiske studier og numeriske modeller muliggjør optimal innsamling av marine data

25 Prosesser som knytter samme hav og kyst Havet og marin ressurser er undersamplet: Må derfor koble observasjoner og numeriske modeller for å utvikle vår forståelse av årsak og virkning i det marine økosystem Repeterende observasjoner fra mange lokaliteter: Analytiske studier av variabilitet i havmiljø og respons i marine organismer Initialisere og parameterisere biofysiske modeller som muliggjør systematiske undersøkelser av effekter av klima og menneskelig aktivitet Vurdere kvaliteten på de biofysiske modellene mot uavhengige datasett Laboratorie- og mesokosmeundersøkelser: Laboratorie- og mesokosmeundersøkelser avdekker individuelle fysiologiske og adferdsresponser som følge av ulike stimuli Tillater undersøkelser av enkelt eller multistressorer uten naturlig støy Identifiser barrier for naturlig klimatilpasning: Akklimatisering vs. evolusjon