Using inorganic carbon measurements from an international survey effort in the 1990s and a tracer-based separation technique, we estimate a global oceanic anthropogenic carbon dioxide (CO 2 ) sink for the period from 1800 to 1994 of 118 ± 19 petagrams of carbon. The oceanic sink accounts for ∼48% of the total fossil-fuel and cement-manufacturing emissions, implying that the terrestrial biosphere was a net source of CO 2 to the atmosphere of about 39 ± 28 petagrams of carbon for this period. The current fraction of total anthropogenic CO 2 emissions stored in the ocean appears to be about one-third of the long-term potential.

During the 1990s, ocean sampling expeditions were carried out as part of the World Ocean Circulation Experiment (WOCE), the Joint Global Ocean Flux Study (JGOFS), and the Ocean Atmosphere Carbon Exchange Study (OACES). Subsequently, a group of U.S. scientists synthesized the data into easily usable and readily available products. This collaboration is known as the Global Ocean Data Analysis Project (GLODAP). Results were merged into a common format data set, segregated by ocean. For comparison purposes, each ocean data set includes a small number of high‐quality historical cruises. The data were subjected to rigorous quality control procedures to eliminate systematic data measurement biases. The calibrated 1990s data were used to estimate anthropogenic CO 2 , potential alkalinity, CFC watermass ages, CFC partial pressure, bomb‐produced radiocarbon, and natural radiocarbon. These quantities were merged into the measured data files. The data were used to produce objectively gridded property maps at a 1° resolution on 33 depth surfaces chosen to match existing climatologies for temperature, salinity, oxygen, and nutrients. The mapped fields are interpreted as an annual mean distribution in spite of the inaccuracy in that assumption. Both the calibrated data and the gridded products are available from the Carbon Dioxide Information Analysis Center. Here we describe the important details of the data treatment and the mapping procedure, and present summary quantities and integrals for the various parameters.

The Antarctic source of bottom water to the abyssal layer of the World Ocean is examined, as well as its large-scale flow pattern and ultimate entrainment rate into the deep water above. We make use of the available high-quality station data in the Southern Ocean to construct bottom maps of neutral density and mean property maps, including Chlorofluorocarbon (CFC), for the abyssal layer underneath a selected neutral density surface. The maximum density at the sill depth of Drake Passage is used to distinguish between the voluminous deep water mass that is a continuous component of the Antarctic Circumpolar Current from the relatively denser bottom water originated along the Antarctic continental margins. Based on water density, Antarctic Bottom Water (AABW) is defined here generically to include all volumes of non-circumpolar water of Antarctic origin. Over the shelf regime multiple localized sources of specific AABW types contribute to the abyssal layer of the adjacent Antarctic basins. Characteristics of these dense bottom waters reflect closely those observed on the parent Shelf Water mass. Spreading paths of newly-formed deep and bottom waters over the slope regime, and their subsequent oceanic circulation patterns are analyzed on the basis of global property maps for the AABW layer. Interior mixing and interbasin exchanges of AABW are deduced from mean characteristic curves following the southern streamline of the Antarctic Circumpolar Current. Outflow and mixing of AABW from the Weddell Sea to the Argentine Basin is depicted using density and CFC distributions of two zonal hydrographic lines. Recirculation and mixing of deep and bottom waters within the Weddell Gyre are also detailed using a meridional section along the Greenwich Meridian. The strength of all localized sources of AABW combined is estimated by two independent approaches. An estimate of the total production rate of AABW is calculated based on the oceanic CFC budget for the AABW layer offshore of the 2500-m isobath. The sum of all downslope inputs of well-ventilated bottom water types underneath the top isopycnal must account for the measured CFC content in the bottom layer. The resulting total AABW production rate is about 8 Sv, which is a conservative figure that neglects the loss of CFC-bearing waters across the top isopycnal in recent years, whereas about 9.5 Sv is calculated assuming a well-mixed bottom layer. Making use of their transient nature, CFC distributions at the top of the AABW layer indicate that more direct and rapid entrainment of CFC-rich bottom waters below occurs over localized areas with relatively strong upwelling rates and enhanced vertical mixing. A second, more ad-hoc but independent oceanic mass budget of the bottom layer is also constructed. A typical basin-wide rate of deep upwelling of 3×10−7 m s−1 requires 10 Sv (1 Sv=106 m3 s−1) of newly-formed AABW to sink down the slope around Antarctica. We have also formulated a spatial distribution of deep upwelling on the isopycnal at the top of the AABW. It is expressed as a combination of wind, topographic, and turbulent components, which in turn are functions of the isopycnal depth, bottom depth, and bottom layer thickness. This non-uniform upwelling field yields about 12 Sv of AABW exported across the top isopycnal. Fortuitously, the overall average of upward speed at the top isopycnal (3.7×10−7 m s−1) compares well with previous estimates of deep upwelling in the northern basins. A series of likely sites for strong vertical entrainment of AABW are clearly identified in the modeled distribution of deep upwelling, consonant with the observed CFC distributions on the top isopycnal. Altogether, regions with relatively high upwelling rates (>5×10−7 m s−1) occupy only a quarter of the total areal extent of the top isopycnal, but they account for as much as 45% of the total vertical transport.

Abstract. The Ocean Model Intercomparison Project (OMIP) focuses on the physics and biogeochemistry of the ocean component of Earth system models participating in the sixth phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6). OMIP aims to provide standard protocols and diagnostics for ocean models, while offering a forum to promote their common assessment and improvement. It also offers to compare solutions of the same ocean models when forced with reanalysis data (OMIP simulations) vs. when integrated within fully coupled Earth system models (CMIP6). Here we detail simulation protocols and diagnostics for OMIP's biogeochemical and inert chemical tracers. These passive-tracer simulations will be coupled to ocean circulation models, initialized with observational data or output from a model spin-up, and forced by repeating the 1948–2009 surface fluxes of heat, fresh water, and momentum. These so-called OMIP-BGC simulations include three inert chemical tracers (CFC-11, CFC-12, SF6) and biogeochemical tracers (e.g., dissolved inorganic carbon, carbon isotopes, alkalinity, nutrients, and oxygen). Modelers will use their preferred prognostic BGC model but should follow common guidelines for gas exchange and carbonate chemistry. Simulations include both natural and total carbon tracers. The required forced simulation (omip1) will be initialized with gridded observational climatologies. An optional forced simulation (omip1-spunup) will be initialized instead with BGC fields from a long model spin-up, preferably for 2000 years or more, and forced by repeating the same 62-year meteorological forcing. That optional run will also include abiotic tracers of total dissolved inorganic carbon and radiocarbon, CTabio and 14CTabio, to assess deep-ocean ventilation and distinguish the role of physics vs. biology. These simulations will be forced by observed atmospheric histories of the three inert gases and CO2 as well as carbon isotope ratios of CO2. OMIP-BGC simulation protocols are founded on those from previous phases of the Ocean Carbon-Cycle Model Intercomparison Project. They have been merged and updated to reflect improvements concerning gas exchange, carbonate chemistry, and new data for initial conditions and atmospheric gas histories. Code is provided to facilitate their implementation.

The recent increase in anthropogenic emissions of reactive nitrogen from northeastern Asia and the subsequent enhanced deposition over the extensive regions of the North Pacific Ocean (NPO) have led to a detectable increase in the nitrate (N) concentration of the upper ocean. The rate of increase of excess N relative to phosphate (P) was found to be highest (∼0.24 micromoles per kilogram per year) in the vicinity of the Asian source continent, with rates decreasing eastward across the NPO, consistent with the magnitude and distribution of atmospheric nitrogen deposition. This anthropogenically driven increase in the N content of the upper NPO may enhance primary production in this N-limited region, potentially leading to a long-term change of the NPO from being N-limited to P-limited.