• Energy Research

Under the impact of natural and anthropogenic climate variability, upwelling systems are known to change their properties leading to associated regime shifts in marine ecosystems. These often impact commercial fisheries and societies dependent on them. In a region where in situ hydrographic and biological marine data are scarce, this study uses a combination of remote sensing and ocean modelling to show how a stable seasonal upwelling off the Kenyan coast shifted into the territorial waters of neighboring Tanzania under the influence of the unique 1997/98 El Niño and positive Indian Ocean Dipole event. The formation of an anticyclonic gyre adjacent to the Kenyan/Tanzanian coast led to a reorganization of the surface currents and caused the southward migration of the Somali–Zanzibar confluence zone and is attributed to anomalous wind stress curl over the central Indian Ocean. This caused the lowest observed chlorophyll-a over the North Kenya banks (Kenya), while it reached its historical maximum off Dar Es Salaam (Tanzanian waters). We demonstrate that this situation is specific to the 1997/98 El Niño when compared with other the super El-Niño events of 1972,73, 1982–83 and 2015–16. Despite the lack of available fishery data in the region, the local ecosystem changes that the shift of this upwelling may have caused are discussed based on the literature. The likely negative impacts on local fish stocks in Kenya, affecting fishers’ livelihoods and food security, and the temporary increase in pelagic fishery species’ productivity in Tanzania are highlighted. Finally, we discuss how satellite observations may assist fisheries management bodies to anticipate low productivity periods, and mitigate their potentially negative economic impacts.

The North Atlantic subpolar gyre is a key region for the North Atlantic phytoplankton bloom (NAB), the foundation of the regional foodweb. The NAB is dependent on nutrients seasonally introduced into the surface ocean by deep winter convection. Under climate change, this pattern is threatened by increasing water column stratification, and the NAB may “collapse” as a result, representing a potential “tipping point” in the Earth system. We investigate change in winter mixing and the impacts on the SPG and the broader northern North Atlantic using 1. a spread of future projections from a low-resolution Earth system model (UKESM) and 2. a single, high-warming projection of a high-resolution ocean-only configuration of the same model (NEMO-MEDUSA). For both models we find significant declines in the strength of the NAB during the 21st century. In UKESM, this occurred across all projections, but with low spatiotemporal coherence. In NEMO-MEDUSA, changes in upper mixed layer depth, surface nutrients and chlorophyll concentrations were noticeably abrupt and more highly spatiotemporally-correlated. We also find a large (>30 day) phenological shift in the peak of the bloom aligned with the timing of this change, which may affect foodweb dynamics. Overall, defining “collapse” as a halving of surface chlorophyll, we find that the NAB collapses by the end of the century regardless of future projection. However, the timing, abruptness and coherence of this collapse differs in high and low resolution models, suggesting the need for higher resolution for prediction of abrupt and irreversible changes, especially those involving ecosystem dynamics.

Los Bancos del Norte de Kenia han sido considerados durante mucho tiempo una importante pesquería emergente con el potencial de estimular el crecimiento económico de las comunidades pesqueras locales. Como una extensión de importancia regional a la plataforma continental de África Oriental, por lo demás estrecha, los Bancos del Norte de Kenia siguen siendo poco estudiados, lo que tiene implicaciones para los esfuerzos por desarrollar una estrategia de gestión pesquera sostenible. Se sabe que el ecosistema marino local está fuertemente influenciado por los procesos de surgencia impulsados por el viento, siendo de particular importancia la variabilidad estacional impulsada por los cambios en las estaciones del monzón. Sin embargo, el Océano Índico Occidental se está calentando debido al cambio climático antropogénico con evidencia que indica una reducción de la productividad oceánica en el futuro. La forma en que responderá el ecosistema de los Bancos del Norte de Kenia es actualmente incierta, pero es de gran importancia debido a la importancia de los recursos pesqueros costeros para las comunidades costeras y las crecientes iniciativas de Economía Azul para explotar más ampliamente las pesquerías de los Bancos del Norte de Kenia. Sin embargo, existe un conocimiento limitado de los procesos que influyen en la productividad en las regiones de los Bancos del Norte de Kenia y actualmente no existe un plan de gestión para gestionar de manera sostenible los recursos pesqueros. Aquí, se examina la información sobre las pesquerías de los Bancos del Norte de Kenia en relación con los procesos ambientales y las amenazas de los impactos del cambio climático con sugerencias para futuras investigaciones y direcciones de gestión. Les banques du nord du Kenya sont depuis longtemps considérées comme une importante pêcherie émergente susceptible de stimuler la croissance économique des communautés de pêcheurs locales. En tant qu'extension régionale importante du plateau continental de l'Afrique de l'Est, par ailleurs étroit, les banques du nord du Kenya restent à l'étude avec des implications pour les efforts visant à développer une stratégie de gestion durable des pêches. L'écosystème marin local est connu pour être fortement influencé par les processus de remontée d'eau entraînés par le vent, la variabilité saisonnière entraînée par les saisons changeantes de la mousson étant particulièrement importante. Néanmoins, l'océan Indien occidental se réchauffe en raison du changement climatique anthropique, avec des preuves indiquant une baisse de la productivité des océans à l'avenir. La réponse de l'écosystème des banques du nord du Kenya est actuellement incertaine, mais elle revêt une grande importance en raison de l'importance des ressources halieutiques côtières pour les communautés côtières et des initiatives croissantes de l'économie bleue visant à exploiter plus largement les pêcheries des banques du nord du Kenya. Cependant, les connaissances des processus influençant la productivité dans les régions des rives du nord du Kenya sont limitées et aucun plan de gestion n'est actuellement en place pour gérer durablement les ressources halieutiques. Ici, les informations sur les pêcheries des banques du nord du Kenya sont examinées en relation avec les processus environnementaux et les menaces des impacts du changement climatique avec des suggestions pour les futures orientations de recherche et de gestion. The North Kenya Banks have long been considered an important emerging fishery with the potential to spur economic growth for local fishing communities. As a regionally important extension to the otherwise narrow East African continental shelf, the North Kenya Banks remain under studied with implications for efforts to develop a sustainable fisheries management strategy. The local marine ecosystem is known to be strongly influenced by wind driven upwelling processes with seasonal variability driven by the changing monsoon seasons being of particular importance. Nevertheless, the Western Indian Ocean is warming due to anthropogenic climate change with evidence indicating reduced ocean productivity in future. How the ecosystem of the North Kenya Banks will respond is currently uncertain but is of great importance due to the significance of coastal fishery resources to coastal communities, and growing Blue Economy initiatives to exploit the North Kenya Banks fisheries more widely. There is, however, limited knowledge of the processes influencing productivity over the North Kenya Banks regions and currently there is no management plan in place to sustainably manage the fishery resources. Here, information about the North Kenya Banks fisheries are examined in relation to environmental processes and threats from climate change impacts with suggestions for future research and management directions. لطالما اعتبرت ضفاف شمال كينيا مصايد أسماك ناشئة مهمة مع إمكانية تحفيز النمو الاقتصادي لمجتمعات الصيد المحلية. كامتداد مهم إقليميًا للجرف القاري الضيق في شرق إفريقيا، لا تزال بنوك شمال كينيا قيد الدراسة مع ما يترتب على ذلك من آثار على الجهود المبذولة لوضع استراتيجية لإدارة مصائد الأسماك المستدامة. من المعروف أن النظام البيئي البحري المحلي يتأثر بشدة بعمليات صعود المياه التي تحركها الرياح مع التقلبات الموسمية التي تحركها مواسم الرياح الموسمية المتغيرة ذات أهمية خاصة. ومع ذلك، فإن غرب المحيط الهندي يرتفع درجة حرارته بسبب تغير المناخ الناجم عن الأنشطة البشرية مع وجود أدلة تشير إلى انخفاض إنتاجية المحيطات في المستقبل. إن كيفية استجابة النظام الإيكولوجي لبنوك شمال كينيا غير مؤكدة حاليًا ولكنها ذات أهمية كبيرة نظرًا لأهمية موارد مصايد الأسماك الساحلية للمجتمعات الساحلية، ومبادرات الاقتصاد الأزرق المتنامية لاستغلال مصايد الأسماك في شمال كينيا على نطاق أوسع. ومع ذلك، هناك معرفة محدودة بالعمليات التي تؤثر على الإنتاجية في مناطق بنوك شمال كينيا، ولا توجد حاليًا خطة إدارة لإدارة موارد مصايد الأسماك بشكل مستدام. هنا، يتم فحص المعلومات حول مصايد الأسماك في ضفاف شمال كينيا فيما يتعلق بالعمليات البيئية والتهديدات الناجمة عن تأثيرات تغير المناخ مع اقتراحات لتوجيهات البحث والإدارة المستقبلية.

Pour les pays riverains de l'océan Indien occidental tropical (TWIO), les ressources marines vivantes sont vitales pour la sécurité alimentaire. Cependant, cette région a largement échappé à l'attention des études examinant les impacts potentiels du changement climatique futur sur l'environnement marin. Comprendre comment les écosystèmes marins côtiers d'Afrique de l'Est peuvent répondre à divers facteurs de stress climatiques est essentiel pour le développement de politiques de conservation et d'autres politiques de gestion des océans qui peuvent aider à s'adapter aux impacts du changement climatique sur les systèmes humains naturels et associés. Ici, nous utilisons un modèle océanique à haute résolution (1/4°), exécuté dans le cadre d'un scénario d'émissions élevées (RCP 8,5) jusqu'à la fin du 21e siècle, pour identifier les principaux facteurs de stress du changement climatique importants au niveau régional sur le courant côtier d'Afrique de l'Est (EACC) qui s'écoule le long des côtes du Kenya et de la Tanzanie. Nous discutons également de ces facteurs de stress dans le contexte de projections à partir de modèles CMIP5 de résolution inférieure. Nos résultats indiquent que les principaux moteurs de la dynamique et de la réponse écosystémique associée dans le TWIO sont différents entre les deux saisons de mousson. Notre modèle haute résolution prévoit un affaiblissement des vents de mousson du Nord-Est (décembre-février) et un léger renforcement des vents de mousson du Sud-Est (mai-septembre) tout au long du XXIe siècle, conformément aux modèles CMIP5. Les couches mixtes moins profondes projetées et les remontées d'eau plus faibles pendant la mousson du nord-est réduisent considérablement la disponibilité des nutriments de surface et la production primaire. Pendant ce temps, la production primaire pendant la mousson du Sud-Est devrait être relativement stable jusqu'à la fin du siècle. En parallèle, un réchauffement généralisé allant jusqu'à 5 °C est prévu toute l'année avec des événements extrêmes tels que les vagues de chaleur marines devenant plus intenses et prolongées, le premier événement d'une durée d'un an devant se produire dès les années 2030. Ce réchauffement extrême aura des conséquences importantes tant pour les écosystèmes marins que pour les populations côtières dépendantes de ces ressources marines. Ces facteurs de stress spécifiques à la région soulignent l'importance des caractéristiques océaniques dynamiques telles que les systèmes de remontée d'eau associés aux principaux courants océaniques. Cela indique la nécessité de développer et de mettre en œuvre un système régional qui surveille le comportement anormal de ces caractéristiques importantes au niveau régional. En outre, cette étude attire l'attention sur l'importance d'investir dans des méthodes de prédiction décennales, y compris la modélisation à haute résolution, qui peuvent fournir des informations à des échelles temporelles et spatiales plus directement pertinentes pour la gestion régionale et l'élaboration des politiques. Para los países que bordean el Océano Índico Occidental tropical (twio), los recursos marinos vivos son vitales para la seguridad alimentaria. Sin embargo, esta región ha escapado en gran medida a la atención de los estudios que investigan los posibles impactos del cambio climático futuro en el medio marino. Comprender cómo los ecosistemas marinos en la costa este de África pueden responder a diversos factores de estrés climático es vital para el desarrollo de políticas de protección y otras políticas de gestión oceánica que puedan ayudar a adaptarse a los impactos del cambio climático en los sistemas humanos naturales y asociados. Aquí, utilizamos un modelo oceánico de alta resolución (1/4°), ejecutado en un escenario de altas emisiones (RCP 8.5) hasta finales del siglo XXI, para identificar los factores estresantes clave del cambio climático de importancia regional sobre la Corriente Costera de África Oriental (EACC) que fluye a lo largo de las costas de Kenia y Tanzania. También discutimos estos factores estresantes en el contexto de las proyecciones de los modelos CMIP5 de menor resolución. Nuestros resultados indican que los principales impulsores de la dinámica y la respuesta del ecosistema asociada en el TWIO son diferentes entre las dos estaciones del monzón. Nuestro modelo de alta resolución proyecta el debilitamiento de los vientos del monzón del noreste (diciembre-febrero) y un ligero fortalecimiento de los vientos del monzón del sudeste (mayo-septiembre) a lo largo del siglo XXI, en consonancia con los modelos CMIP5. Las capas mixtas menos profundas proyectadas y el afloramiento más débil durante el monzón del noreste reducen considerablemente la disponibilidad de nutrientes superficiales y la producción primaria. Mientras tanto, se prevé que la producción primaria durante el monzón del sudeste se mantenga relativamente estable hasta finales de siglo. Paralelamente, se proyecta un calentamiento generalizado de hasta 5 °C durante todo el año, con eventos extremos como las olas de calor marinas cada vez más intensas y prolongadas, y se proyecta que el primer evento de un año ocurra ya en la década de 2030. Este calentamiento extremo tendrá consecuencias significativas tanto para los ecosistemas marinos como para las poblaciones costeras dependientes de estos recursos marinos. Estos factores estresantes específicos de la región resaltan la importancia de las características oceánicas dinámicas, como los sistemas de surgencia asociados con las corrientes oceánicas clave. Esto indica la necesidad de desarrollar e implementar un sistema regional que monitoree el comportamiento anómalo de tales características de importancia regional. Además, este estudio llama la atención sobre la importancia de la inversión en métodos de predicción decenal, incluida la modelización de alta resolución, que puedan proporcionar información a escalas de tiempo y espacio que sean más directamente relevantes para la gestión regional y la formulación de políticas. For the countries bordering the tropical Western Indian Ocean (TWIO), living marine resources are vital for food security. However, this region has largely escaped the attention of studies investigating potential impacts of future climate change on the marine environment. Understanding how marine ecosystems in coastal East Africa may respond to various climatic stressors is vital for the development of conservation and other ocean management policies that can help to adapt to climate change impacts on natural and associated human systems. Here, we use a high-resolution (1/4°) ocean model, run under a high emission scenario (RCP 8.5) until the end of the 21st century, to identify key regionally important climate change stressors over the East African Coastal Current (EACC) that flows along the coasts of Kenya and Tanzania. We also discuss these stressors in the context of projections from lower resolution CMIP5 models. Our results indicate that the main drivers of dynamics and the associated ecosystem response in the TWIO are different between the two monsoon seasons. Our high resolution model projects weakening of the Northeast monsoon (December–February) winds and slight strengthening of the Southeast monsoon (May–September) winds throughout the course of the 21st century, consistent with CMIP5 models. The projected shallower mixed layers and weaker upwelling during the Northeast Monsoon considerably reduce the availability of surface nutrients and primary production. Meanwhile, primary production during the Southeast monsoon is projected to be relatively stable until the end of the century. In parallel, a widespread warming of up to 5 °C is projected year-round with extreme events such as marine heatwaves becoming more intense and prolonged, with the first year-long event projected to occur as early as the 2030s. This extreme warming will have significant consequences for both marine ecosystems and the coastal populations dependent on these marine resources. These region-specific stressors highlight the importance of dynamic ocean features such as the upwelling systems associated with key ocean currents. This indicates the need to develop and implement a regional system that monitors the anomalous behaviour of such regionally important features. Additionally, this study draws attention to the importance of investment in decadal prediction methods, including high resolution modelling, that can provide information at time and space scales that are more directly relevant to regional management and policy making. بالنسبة للبلدان المتاخمة للمحيط الهندي الغربي الاستوائي (TWIO)، تعد الموارد البحرية الحية حيوية للأمن الغذائي. ومع ذلك، فقد أفلتت هذه المنطقة إلى حد كبير من اهتمام الدراسات التي تبحث في الآثار المحتملة لتغير المناخ في المستقبل على البيئة البحرية. إن فهم كيفية استجابة النظم الإيكولوجية البحرية في شرق أفريقيا الساحلية لمختلف الضغوطات المناخية أمر حيوي لتطوير سياسات الحفظ وغيرها من سياسات إدارة المحيطات التي يمكن أن تساعد في التكيف مع آثار تغير المناخ على النظم الطبيعية والبشرية المرتبطة بها. هنا، نستخدم نموذجًا محيطيًا عالي الدقة (1/4درجة)، يعمل في ظل سيناريو الانبعاثات العالية (RCP 8.5) حتى نهاية القرن الحادي والعشرين، لتحديد عوامل الإجهاد الرئيسية ذات الأهمية الإقليمية لتغير المناخ على التيار الساحلي لشرق إفريقيا (EACC) الذي يتدفق على طول سواحل كينيا وتنزانيا. كما نناقش هذه الضغوطات في سياق التوقعات من نماذج CMIP5 منخفضة الدقة. تشير نتائجنا إلى أن الدوافع الرئيسية للديناميكيات واستجابة النظام البيئي المرتبطة بها في TWIO تختلف بين موسمي الرياح الموسمية. يتوقع نموذجنا عالي الدقة إضعاف الرياح الموسمية الشمالية الشرقية (ديسمبر- فبراير) وتقوية طفيفة للرياح الموسمية الجنوبية الشرقية (مايو- سبتمبر) على مدار القرن الحادي والعشرين، بما يتفق مع نماذج CMIP5. تقلل الطبقات المختلطة الضحلة المتوقعة والارتفاع الضعيف خلال الرياح الموسمية الشمالية الشرقية بشكل كبير من توافر المغذيات السطحية والإنتاج الأولي. وفي الوقت نفسه، من المتوقع أن يكون الإنتاج الأولي خلال الرياح الموسمية الجنوبية الشرقية مستقرًا نسبيًا حتى نهاية القرن. بالتوازي مع ذلك، من المتوقع حدوث احترار واسع النطاق يصل إلى 5 درجات مئوية على مدار العام مع تزايد حدة وطول الأحداث المتطرفة مثل موجات الحر البحرية، مع توقع حدوث الحدث الأول لمدة عام في وقت مبكر من ثلاثينيات القرن العشرين. وسيكون لهذا الاحترار الشديد عواقب وخيمة على كل من النظم الإيكولوجية البحرية والسكان الساحليين الذين يعتمدون على هذه الموارد البحرية. تسلط هذه الضغوطات الخاصة بالمنطقة الضوء على أهمية ميزات المحيط الديناميكية مثل أنظمة الصعود المرتبطة بالتيارات المحيطية الرئيسية. وهذا يشير إلى الحاجة إلى تطوير وتنفيذ نظام إقليمي يرصد السلوك الشاذ لهذه السمات ذات الأهمية الإقليمية. بالإضافة إلى ذلك، تلفت هذه الدراسة الانتباه إلى أهمية الاستثمار في طرق التنبؤ العقدية، بما في ذلك النمذجة عالية الدقة، التي يمكن أن توفر معلومات في نطاقات الزمان والمكان ذات صلة مباشرة بالإدارة الإقليمية وصنع السياسات.