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Climate and Environmental Physics: Modeling Global Biogeochemical Cycles in the Earth System 2021-2025 (bgcCEP20)

English title Climate and Environmental Physics: Modeling Global Biogeochemical Cycles in the Earth System 2021-2025 (bgcCEP20)
Applicant Joos Fortunat
Number 200511
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Klima und Umweltphysik Physikalisches Institut Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Other disciplines of Physics
Start/End 01.04.2021 - 31.01.2025
Approved amount 1'308'572.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Other disciplines of Physics
Other disciplines of Environmental Sciences
Oceanography
Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy

Keywords (10)

Earth System modeling; paleoclimate; biogeochemical cycles; methane; probabilistic projections; atmosphere-ocean-land biosphere-sediments; carbon dioxide; nitrous oxide; GHG and carbon-climate feedbacks; isotopes

Lay Summary (German)

Lead
Anthropogene Emissionen von Kohlendioxid (CO2) und anderen Treibhausgasen stören das Klimasystem mit weitreichenden Konsequenzen für Natur und Gesellschaft. Das wissenschaftliche Verständnis dieser komplexen Veränderungen zu verbessern ist ein vorrangiges Forschungsziel. Modelle des Erdsystems simulieren Klimaänderungen und die Flüsse von Kohlenstoff und von weiteren biogeochemischen Elementen zwischen Atmosphäre, Land, Ozean und Ozeansedimente. Diese Modelle erlauben Quellen und Senken der wichtigen Treibhausgase CO2, Methan (CH4) and Lachgas (N2O) zu quantifizieren, Prozesse und Rückkoppelungen zwischen Klima und biogeochemischen Kreisläufen zu studieren und Hypothesen zu testen.
Lay summary

Unsere Forschungsstrategie zielt auf ein quantitatives Verständnis des Erdsystems durch die Kombination von Beobachtungsdaten und Modellen.  Mit dem Bern3D-LPX Modell erstellen wir transiente Klimasimulationen über glaziale-interglaziale Zyklen und die nächsten tausend Jahre für eine Palette von Treibhausgasen und Isotopen. Bern3D-LPX Modelensembles werden in Kombination mit Beobachtungsdaten für wahrscheinlichkeitsbasierte Szenarienrechnungen eingesetzt. Ein Fokus ist auf den Treibhausgasen CO2, CH4 und N2O und deren marinen und terrestrischen Quellen und Senken. Ein umfassender Satz von Variablen wird modelliert und mit Proxydaten und instrumentellen Daten verglichen. Von Interesse sind zum Beispiel, marine Parameter wie Kohlenstoffisotope, die Tiefe der Lysokline, pH, biologische Produktivität, und Flüsse an Opal, Kalzit, und organischen Partikeln. An Land sind Änderungen in der Fläche von Feuchtgebieten, Mooren und Permafrostgebieten und deren Quellen an Treibhausgasen von Relevanz. Änderungen der Kohlenstoffisotope 13C und 14C werden mit dem Community Earth System Model für die industrielle Periode und dieses Jahrhundert untersucht.

Ein Projektschwerpunkt fokussiert auf den saisonalen Zyklus und den interhemispherischen Gradienten verschiedener Treibhausgase und Kohlenstoffisotope. Wir werden ein atmosphärisches Transportmodel mit den Flüssen vom Bern3D-LPX und CESM für die Kohlenstoffisotope und Lachgas antreiben. Die Resultate werden mit Beobachtungen verglichen um Kohlenstoffsenken und Prozesse besser zu verstehen.

Das Projekt führt zu einer besseren Quantifizierung des Zusammenhangs  zwischen anthropogenen Emissionen und den Klimazielen der Klimarahmenkonvention der Vereinigten Nationen und des Klimaabkommens von Paris. Das Projekt wird neuartige Beiträge zu internationalen Anstrengungen, wie dem „Coupled Model Intercomparison Project“ und dem „Global Carbon  Project“, liefern und eine einzigartige, integrierte Analyse von Änderungen im Erdsystem der letzten Million Jahre und des Anthropozäns bereitstellen.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.03.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
172476 Climate and Environmental Physics: Modeling Global Biogeochemical Cycles in the Earth System (bgcCEP) 01.04.2017 Project funding (Div. I-III)

Abstract

This project aims to integrate information from paleo proxy data and the instrumental record into Earth system models to advance the quantitative and qualitative understanding of biogeochemical-climate feedbacks and to improve Earth system projections. The project will lead to a better quantification of the link between anthropogenic emissions and climate targets related to the Paris Agreement. It builds on the success of the predecessor project #200020_17247. It follows our long-term research strategy to illuminate the future by analyzing the past and to integrate paleo information and instrumental data into our Earth system model hierarchy to investigate and constrain biogeochemical cycles, greenhouse gas (GHG) sources and sinks, environmental change, and Earth system feedbacks over the past and the next centuries and millennia.We continue to apply the Bern3D-LPX, a cost-efficient Earth System Model of Intermediate Complexity, and the physically-comprehensive Community Earth System Model (CESM2). With Bern3D-LPX, we continue to perform (i) glacial-interglacial, multi-greenhouse gas, multi-tracer, multi-isotope simulations, (ii) seamless simulations from glacial periods to the next millennium, and (iii) Bayesian, observation-constrained process quantifications and projections using massive model ensembles.A new focus is on the ocean’s twilight zone. We develop an observation-validated mechanistic module for Bern3D to study how climatic and environmental changes affect the conversion of biogenic particles into nutrients and carbon and the feedbacks on marine productivity, oxygen, and atmospheric CO2 and N2O. A novel theme is the seasonal cycles and atmospheric gradients of GHGs and carbon isotopes. We will run the TM3 atmospheric transport model driven by surface-to-atmosphere fluxes of delta13C(CO2), Delta14C(CO2), and N2O from Bern3D-LPX perturbed parameter and CESM2 simulations. Results are compared to those of the GHG measurement network to constrain carbon-nitrogen coupling, carbon sinks, and land biosphere processes.We will investigate past changes in CO2, N2O, and CH4 and jointly simulate a comprehensive set of parameters for comparison with proxy and instrumental data. These include, for example, proxy-relevant ocean and sediment parameters such as isotopes of carbon and other elements, oxygen, N2O, lysocline depth, carbonate ion, pH, biological productivity, nutrient utilization, and fluxes of opal, carbonate, and organic particles. On land, changes in wetland and peatland extent, carbon-nitrogen coupling, and sources and sinks of CO2, CH4, and N2O are of particular interest.In preparation for a future Beyond EPICA ice core, we will study the atmospheric CO2 evolution during the Mid-Pleistocene Transition (MPT; ~1.2 to 0.7 million years ago) when ice age cycles changed the periodicity from 41,000 to 100,000 years. We will investigate the mechanisms governing the recently detected centennial-scale carbon dioxide jumps of past glacial and warm periods. We will address carbon millennial-scale dioxide maxima and glacial-interglacial CO2 change. With CEMS2, 13C and 14C -enabled simulations will be run over the industrial period and the 21st century. The analysis of the bomb-produced 14C budget and the 13C Suess effect will advance the understanding of the redistribution of anthropogenic carbon and carbon isotopes in the Earth System. This project will provide novel input to international modeling efforts such as CMIP6 and the Global Carbon Project and unique, integrated analyses of Earth system change of the past and the Anthropocene.
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