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The atmospheric impact on fluxes of nitrogen, POPs and energy in the German Bight

Der Einfluss der AtmosphÄre auf die Stickstoff-, POP- und EnergieumsÄtze in der Deutschen Bucht

Summary

The external forcing of the German Bight system is largely due to the atmosphere. Energy fluxes that drive mixing processes and biological productivity, as well as atmospheric nutrient inputs outside the Elbe estuary, are important factors for biomass production. This study is based on the KUSTOS experiments focusing on air-sea exchange with intensive observations of a) radiative fluxes at the surface of the drifting water body; b) atmospheric surface layer parameters determining the mixing conditions in the planetary boundary layer; c) the speciation of atmospheric nitrogen compounds; d) and changes in aerosol and gas composition during transport over sea. These episodic data were complemented by a) synoptic data analysis of water and air temperature, wind, pressure and water vapour pressure over the sea; b) corresponding oceanic data on heat advection and mixed layer depth from an oceanic model driven by observations in the atmosphere; c) computations of the highly variable heat and radiative fluxes with the mesoscale atmospheric model METRAS; d) long-term atmospheric deposition measurements of nutrients in the German Bight; e) investigations of the atmospheric processes responsible for the formation of coarse particulate nitrate by means of a new aerosol submodel in the METRAS transport model. We present detailed seasonal or annual budgets for fluxes of heat, momentum, nitrate, ammonium, persistent organic pollutants. The atmospheric fluxes of heat and chemical matter are compared with load and fluxes in the water column in order to identify when and where the atmospheric impact is relevant and detectable. Spatial and temporal variability is discussed for the fluxes of heat, momentum and nitrogen. From the budgets we identify categories of potential atmospheric impact. Apart from the category “no atmospheric impact≓ valid e.g. for Cr, As, Ni and phosphate, we identify 4 others: 1) “atmosphere driven≓: short term, local dominant impact for Heat and momentum; 2) “episodic atmospheric impact≓: long term, local and dominant impact with large fluxes involved for radiation, PCB, Pb; 3) “persistent atmospheric pollutant≓: long term dominant but regionally indifferent impact for α- and γHCH; 4) “steadily perturbing the marine ecosystem≓: long term, widespread impact superimposed on the dynamic system driven by marine biology for nitrate, ammonium.

Zusammenfassung

Die AtmosphÄre ist ein wichtiger externer Antrieb für das System Deutsche Bucht. Der Austausch von Impuls und WÄrme bestimmt wesentlich die MischungsvorgÄnge im Meer und daran gekoppelt die biologische ProduktivitÄt, wÄhrend atmosphÄrische NÄhrstoffeintrÄge insbesondere au\erhalb der Eibfahne die Biomasse-Produktion beeinflussen können. Vorgestellt werden Ergebnisse bezüglich des Einflusses von WÄrme, Strahlung, Impuls, Stickstoffverbindungen und persistenten organischen Schadstoffen auf die Bilanz dieser Parameter in der Deutschen Bucht. Dazu werden Messungen der KUSTOS-Intensiv-Me\kampagnen sowie langjÄhrige Me\reihen, aber auch Modellergebnisse des AtmosphÄrenmodells METRAS und des ozeanographischen Deutsche-Bucht - Modells herangezogen. Im Vergleich zeigt sich, da\ der Einflu\ der AtmosphÄre für die Parameter Impuls und WÄrme lokal und auf kurzen Zeitskalen zu beschreiben ist. Von eher episodischer Bedeutung sind die atmosphÄrischen EintrÄge von Stoffen wie etwa PCB oder Pb und die Strahlungsflüsse. Wegen der langen Verweildauer im System mu\ für Stoffe wie α- und γ-HCH, aber auch Nitrat und Ammonium, von einer stÄndigen, über lange Zeit wirkenden, aber regional indifferenten Belastung ausgegangen werden. Die Rolle der atmosphÄrischen StickstoffeintrÄge ist durch ihre überlagerung über die schnellen biologischen Umsetzungen im Meer nur als eine kleine, wenn auch stÄndige Störung des marinen ökosystems zu beschreiben, deren Auswirkungen nicht ausreichend bekannt sind.

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References

  1. Andersen, J., H. Karup andU. B. Nielsen, 1996: North Sea Quality Status Report 1993, Proc. of the Scientific Symposium on the North Sea Quality Status, 18.-21. April 1994, Ebeltoft, DÄnemark.

  2. Asman W.A.S., R.M. Harrison, C.J. Ottley, 1994: Estimation of the net air-sea flux of ammonia over the southern bight of the North Sea.Atmos. Env.,28, 3647–3654.

    Article  Google Scholar 

  3. Baart, A.C., J.J.M. Berdowski, J.A. van Jaarsveld, 1995: Calculation of atmospheric deposition of comtaminants on the North Sea. TNO report R95/138, Delft, The Netherlands.

  4. Becker, G. A., 1981: BeitrÄge zur Hydrographie und WÄrmebilanz der Nordsee.Dt hydrogr. Z.,34, 167–262.

    Article  Google Scholar 

  5. Beddig, S., U. Brockmann, W. Dannecker, D. Körner, T. Pohlmann, W. Puls, G. Radach, A. Rebers, H.-J. Rick, M. Schatzmann, H. Schlünzen, andM. Schulz, 1997: Nitrogen fluxes in the German Bight.Mar. Poll. Bull.,34, 382–394.

    Article  Google Scholar 

  6. Behlen, A., 1996: Reaktive Stickstoffverbindungen in der AtmosphÄre -Konzentrations-bestimmungen und trockene Deposition auf Natursteine. Dissertation. Schriftenreihe Angewandte Analytik, University of Hamburg.

  7. Beusekom, J. E. E. van, U.H. Brockmann, K.-J. Hesse, W. Hickel, K. Poremba, andU. Tillmann, 1999: The importance of sediments in the transformation and turnover of nutrients and organic matter in the Wadden Sea and German Bight. This volume, 245–266.

  8. Brockmann, U., T. Raabe, K. Hesse, K. Viehweger, S. Rick, A. Starke, B. Fabiszisky, D. Topcu, andR. Heller, 1999a: Seasonal budgets of the nutrient elements N and P at the surface of the German Bight during winter 1996, spring 1995, and summer 1994. This volume, 267–292.

  9. Brockmann, U., K. Viehweger, T. Raabe, S. Rick, H.-J. Rick, andR. Heller, 1999b: Conversion of nutrients in the Elbe river plume during drift experiments in the German Bight during spring 1995, and summer 1994. This volume, 293–312.

  10. Brodsky, J., K. Ballschmitter, 1988: Reversed phase liquid chromatography of PCB’s as a basis for the calculation of water solubility and log Kow for Polychlorobiphenyls.Fres. Z Anal. Chem.,331, 295–301.

    Article  Google Scholar 

  11. Bullig, H. J. andP. Bintig, 1954: Klimatologie der nordwesteuropÄischen GewÄsser. Teil 1 : Temperatur des OberflÄchenwassers und Temperaturdifferenz LuftWasser. Deutscher Wetterdienst, Seewetteramt, Einzelveröffentlichung Nr. 4, Hamburg.

  12. Brorström-Lundén, E., 1995: Measurements of Semivoloatile Organic Compounds in Air and Deposition. Ph. D. Thesis, Department of Analytical and Marine Chemistry University of Göteborg.

  13. Cleemann, M., M. E. Poulsen, andG. Hubert, 1995: Deposition of Lindane in Denmark.Chemosphere,30, 2039–2049.

    Article  Google Scholar 

  14. Dick, S., U.H. Brockmann, J.E.E, van Beusekom, B. Fabiszisky, M. George, U. Hentschke, K.-J. Hesse, B. Mayer, Th. Nitz, Th. Pohlmann, K. Poremba, K. Schaumann, W. Schönfeld, A. Starke, U. Tillmann, andG. Weide, 1999: Exchange of matter and energy between the Wadden Sea and the coastal waters of the German Bight - Estimations based on numerical simulations and field measurements. This volume, 181–220.

  15. Dickson, R.R., Kelly, P.M., Colebrook, J.M., Wooster, W.S. and Cushing, D.H., 1988: North winds and production in the eastern North Atlantic.J. Plankton Res.,10, 151–169.

    Article  Google Scholar 

  16. Doerffer, R., U. GÄrtner, H. Hakvoort, K.-J. Hesse, K. Isert, A. Moll, T. Pohlmann, G. Radach, A. Reimer, H.-J. Rick, U. tillmann, J. Sündermann, J. van Beusekom, submitted to Dt. Hydrogr. Z.: Variability of the primary production in the German Bight a comparative study using insitu ovservations, modelling and remote sensing.

  17. Gerwig, H., 2000: Austausch und Transport luftgetragener schwerflüchtiger chlororganischer Verbindungen in Norddeutschland und über See. Dissertation Fachbereich Chemie, UniversitÄt Hamburg, Schriftenreihe Angewandte Analytik, Nr. 38.

  18. Höhn, R., 1971: On the climatology of the North Sea. In: E.D. Goldberg (ed.) North Sea Science. MIT Press, London, 183–236.

    Google Scholar 

  19. Hüihnerfuss, H., K. Bester, O. Landgraff, T. Pohlmann andK. Selke, 1997: Anual Balances of Hexachlorcyclohexanes, Polychlorinated Biphenyls and Triazines in the German Bight.Marine Pollution Bulletin,34, 419–426.

    Article  Google Scholar 

  20. Kane M.M., A.R. Rendell, T.D. Jickells, 1994: Atmsopheric scavenging processes over the North Sea.Atmos. Environ.,28, 2523–2530.

    Article  Google Scholar 

  21. Korevaar, C. G., 1990: North Sea climate based on observations from ships and lightvessels. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht.

    Google Scholar 

  22. Kreutzmann, J., J. Holz andG. Jandl, 1995: Untersuchung des atmosphÄrischen Schadstoffeintrages in Nordund Ostsee Messungen. Im Auftrag des Umweltbundesamtes, Forschungsbericht 104 02 667.

  23. Landgraff, O., 1995: Koplanare Polychlorierte Biphenyle un weitere Organochlor-Verbindungen in Sedimenten und Organismen aus der inneren Deutschen Bucht. Ph. D. Thesis, Department Chemistry, University of Hamburg.

  24. Luthardt, H., 1985: Estimation of mesoscale surface fields of meteorological parameters in the North Sea area from routine observations.Beitr. Phys. Atmosph.,58, 255–272.

    Google Scholar 

  25. Luthardt, H., 1987: Analyse der wassernahen Druck-und Windfelder über der Nordsee aus Routinebeobachtungen. Dissertation im Fachbereich Geowissenschaften, UniversitÄt Hamburg.

  26. Markgraf, H., andP. Bintig, 1956: Klimatologie der nordwesteuropÄischen GewÄsser, Teil 3: Lufttemperatur, Bewölkung, Niederschlag, Nebel, Tabellen-Anhang zu den Teilen 1 und 2. Deutscher Wetterdienst, Seewetteramt, Einzelveröffentlichung Nr. 10, Hamburg.

  27. Niemeier, U., 1997: Chemische Umsetzungen in einem hochauflösenden mesoskaligen Modell - Bestimmung geeigneter Randwerte und Modellanwendungen-, Berichte, Zentrum für Meeres und Klimaforschung, Series A, 28, 161 pp. UniversitÄt Hamburg, Hamburg.

  28. Nitz, T., 1998: Untersuchung der SensitivitÄt eines wattenauflösenden hydrodynamischen Modells bezüglich der iterativen Kopplung mit einem mesoskaligen meteorologischen Modell für den Bereich der Deutschen Bucht. Ph. D. thesis, Institute of Oceanography, University of Hamburg.

  29. OSPARCOM (Oslo and Paris Commission), 1996: The use of pesticides in agriculture, horticulture and forestry by contracting parties to the Paris commission.

  30. Ottley, C.J. andR.M. Harrison, 1992: The spatial dsitribution and particle size of some inorgnaic nitrogen, sulphur and chlorine species over the North Sea. Atmos.Environ.,26A, 1689–1699.

    Google Scholar 

  31. Plate, E., T. Stahlschmidt, M. Schulz and W. Dannecker, 1995: The influence of air-sea-exchange on the partitioning of N-species during transport over sea. In proceedings of the Third International Symposium on Air-Water Gas Transfer, B. JÄhne and E. C. Monahan (Ed.), 735-744.

  32. Plate, E., andM. Schulz, 1997: Coarse nitrate formation in a coastal area of the North Sea.J. of Aerosol Sci.,28, 333–334.

    Article  Google Scholar 

  33. Plate E., 2000, VariabilitÄt der Zusammensetzung anorganischer Aerosole -insbesondere der reaktiven Stickstoffverbindungen - in küstennahen Gebieten der Nordsee und Ostsee. Dissertation Fachbereich Chemie, UniversitÄt Hamburg, Schriftenreihe Angewandte Analytik, Nr. 37.

  34. Pohlmann, T., 1991 : Untersuchung hydro- und thermodynamischer Prozesse in der Nordsee mit einem dreidimensionalen numerischen Modell. Dissertation FB Geowissenschaften, UniversitÄt Hamburg, Berichte aus dem ZMK, Nr. 23.

  35. Pohlmann, Th., Th. Raabe, R. Doerffer, S. Beddig, U. Brockmann, S. Dick, M. Engel, K.-J. Hesse,P. König, B. Mayer, A. Moll, D. Murphy, W. Puls, H.-J. Rick, R. Schmidt-Nia, W. Schönfeld, andJ. Sündermann, 1999: Combined analysis of field and model data: A case study of the phosphate dynamics in the German Bight in summer 1994. This volume, 331–353.

  36. Puls, W., 1994: Eine Bleibilanz für die Deutsche Bucht, in Abschlu\bericht PRISMA BMFT-PRojekt 03F0558A1. Zentrum für Meeres und Klimaforschung, University of Hamburg.

  37. Puls, W., J. van Beusekom, U. Brockmann, R. Doerffer, U. Hentschke, P. König, D. Murphy, B. Mayer, A. Müller, Th. Pohlmann, A. Reimer, R. Schmidt-Nia, andJ. Sündermann, 1999: SPM concentrations in the German Bight: Comparison between a model simulation and measurements. This volume, 221–244.

  38. Radach, G., andA. Moll, 1993: Estimation of the variability of production by simulating annual cycles of phytoplankton in the central North Sea.Progress in Oceanography,31, 339–419.

    Article  Google Scholar 

  39. Rebers, A., 1997: Deposition von luftgetragenen Schadstoffen über See sowie Entwicklung eines Sammel- und AnalysengerÄtes für marine Na\depositionen. Dissertation Fachbereich Chemie, UniversitÄt Hamburg, Schriftenreihe Angewandte Analytik, Nr. 31.

  40. Rendell A.R., C.J. Ottley, T.D. Jickells andR. M. Harrison, 1993: The atmsopheric input of nitrogen species to the North Sea.Tellus,45B, 53–63.

    Google Scholar 

  41. Rick, H.-J., M. E. M. Baumann, J. Beil, S. Brasse, U. H. Brockmann, F. Buchholz, S. Diel-Christiansen, C.-D. Dürselen, U. Fehner, U. GÄrtner, M. George, A. Göbel, K.-J. Hesse, C. Kabatnik, A. Klawon, R. Kopp, P. Koschinski, M. Krause, N. Ladwig, C. Mehrkühler, R. Müller, K. Poremba, T. Raabe, A. Reimer, T. Rieling, S. Rick, K. Schaumann, M. Schütt, J. Sündermann, A. Tillmann, U. Tillmann, A. Weber, G. Weide andC. Wolff, submitted to Dt. hydrogr. Z.: Balances and imbalances of production and respiration in German Bight pelagic systems.

  42. Schlünzen, K. H., 1990: Numerical studies on the inland penetration of sea breeze fronts at a coastline with tidally flooded mudflats.Beitr. Phys. Atmosph.,63, 243–256.

    Google Scholar 

  43. Schlünzen, K. H., K. Bigalke, C.-J. Lenz, C. Lüpkes, U. Niemeier, andK. von Salzen, 1996: Concept and realization of the mesoscale transport and fluid model ‘METRAS’. METRAS Technical Report, 5. Meteorologisches Institut, UniversitÄt Hamburg, Bundesstr. 55, D-20146 Hamburg.

  44. Schulz-Bull, D.E., G. Petrick, J.C. Duincker, 1991: Polychlorinated-Biphenyls in North sea water.Marine Chem.,36, 365–384.

    Article  Google Scholar 

  45. Schulz, M., 1993: RÄumliche und zeitliche Verteilung atmosphÄrischer EintrÄge von Spurenelementen in die Nordsee. Dissertation Fachbereich Chemie, UniversitÄt Hamburg, Schriftenreihe Angewandte Analytik, Nr. 17.

  46. Selke K., 1994: Untersuchung des atmosphÄrischen Eintrages organischer Spurenstoffe in die Nordsee am Beispiel polychlorierter Biphenyle und Hexachlorcyclohexane. Ph. D. Thesis, Department Chemistry, University of Hamburg.

  47. Sündermann, J., K.-J. Hesse, ANDS. Beddig, 1999: Coastal mass and energy fluxes in the southeastern North Sea. This volume, 113–132.

  48. Suntio, I.R., W.Y. Shiu, D. Mackay, J.N. Seiber, D. Glotfelty, 1988: Critical reviews of Henry’s law constants for pesticides.Rev. Environ. Contaminat. Tox.,103, 1–59.

    Google Scholar 

  49. Theobald, N., 1998: personal communication. Bundesamt für Seeschiffahrt und Hydrographie.

  50. Tuovinen, J.P., K. Barrett andH. Styve, 1994: Transboundary acidifying pollution in Europe: Calculated field and budgets 1985-1993, Tech. Rep. EMEP/MSC-W Report 1/94,129, 70 pp, Det Norske Meteorologiske Institutt, Oslo.

    Google Scholar 

  51. Von Salzen, K., 1997: Entwicklung und Anwendung eines Modells für die Dynamik und die Zusammensetzung sekundÄren und marinen Aerosols. Dissertation, Meterologisches Institut, UniversitÄt Hamburg, Berichte aus dem Zentrum für Meeres und Klimaforschung, Nr. 30.

  52. Von Salzen K. andK.H. Schlünzen, 1999a: A Prognostic Physico-Chemical Model of Secondary and Marine Inorganic Multicomponent Aerosols. I. Model Description.Atmos. Environ.,33, 567–576.

    Article  Google Scholar 

  53. Von Salzen K. andK.H. Schluenzen, 1999b: A Prognostic Physico-Chemical Model of Secondary and Marine Inorganic Multicomponent Aerosols. II. Model Tests.Atmos. Environ.,33, 1543–1552.

    Article  Google Scholar 

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Schulz, M., van Beusekom, J., Bigalke, K. et al. The atmospheric impact on fluxes of nitrogen, POPs and energy in the German Bight. Deutsche Hydrographische Zeitschrift 51, 133 (1999). https://doi.org/10.1007/BF02764172

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  • Latent Heat Flux
  • German Bight
  • Offshore Wind
  • Marine Boundary Layer
  • German Journal