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Langfristige Veränderungen von Ozeangezeiten – Prozessverständnis und Vorhersagen

Langfristige Veränderungen von Gezeiten zählen zu den bemerkenswertesten Facetten der Ozeandynamik. Zur Entschlüsselung dieser Signale wird im vorliegenden Projekt ein mehrschichtiger Modellierungsansatz auf globalen und regionalen Skalen entwickelt, der Meeresspiegelvariationen, Veränderungen der ozeanischen Dichtestruktur und Migrationsbewegungen von antarktischem Schelfeis in klassische Gezeitensimulationen einflechtet. Die Reaktion primärer Partialtiden auf diese Antriebsmechanismen wird in einer ersten Ausbaustufe von ~1970 bis 2015 erarbeitet, wobei hochauflösende barokline (3D) Simulationen im Nordostatlantik und um Australien rigoros in globale barotrope (2D) Vorwärtsläufe eingebettet werden. Die Validierung der Simulationsergebnisse gegenüber robusten und großräumigen Gezeitentrends aus Wasserstandsbeobachtungen legt den Grundstein für konkrete Projektionen von Ozeangezeiten bis zum Jahr 2100 unter Annahme realistischer Emissionsszenarien. Veränderte Randbedingungen in globalen und regionalen Gezeitenläufen einhergehend mit Meeresspiegelanstieg, Ozeanerwärmung und ausdünnendem Schelfeis werden hierzu in konsistenter Weise aus gekoppelten Klimamodellen abgeleitet. Erweiterte barokline und globale Sensitivitätsexperimente liefern einen Überblick über Küstenabschnitte, in denen mit nennenswerten Gezeitenentwicklungen durch großflächige Veränderungen der Dichtestruktur zu rechnen ist. Neben dem reinen Prozessverständnis soll auch Augenmerk auf die Abschätzung von Unsicherheiten der numerisch modellierten Tidenvariabilität in den kommenden Dekaden gelegt werden. Das Projekt ebnet in seiner Gesamtheit den Weg für eine verlässlichere Quantifizierung von säkularen Gezeitensignalen in Anwendungsbereichen (z.B. Küstenschutz) und der Ozeanographie nahestehenden Wissenschaftsdisziplinen.

Integrative Kartierung und Priorisierung von Schutzgebieten im Atlantik - Leitlinien für die Abwägung von Naturschutzprioritäten mit wirtschaftlichen und rechtlichen Interessen auf Hoher See, Vorhaben: Nahrungsnetzstruktur, Biodiversität und Ökosystemleistung des Zooplanktons

Atlantic, Pacific and Mean Deep Ocean temperature and δ¹⁸Oseawater stacks

Stacked deep-water (>2500m) deconvolved benthic Mg/Ca–δ18O records spanning the past 1.5 Myr for: the North Atlantic comprising IODP Site U1385 [Uvigerina peregrina and Globobulimina affinis] and DSDP Site 607 [Cibicidoides wuellerstorfi, Oridorsalis umbonatus, and Uvigerina spp.] (Sosdian and Rosenthal, 2009; Ford et al., 2016); the Pacific incorporating ODP Sites 1123 [Uvigerina spp.] (Elderfield et al., 2012) and Site 1208 [Uvigerina spp.] (Ford and Raymo, 2020); and, Mean Deep Oceans including all of the above plus ODP Site 1094 [Melonis pompilioides] (Hasenfratz et al., 2019). To investigate changes in abyssal ocean density stratification across the Middle Pleistocene Transition estimates of deep-water temperature and δ18Oseawater were generated with error propagation using PSU Solver in MATLAB (Thirumalai, Quinn and Marino, 2016). PSU Solver-derived δ18O, temperature and δ18Oseawater records for each site were interpolated on a 3 kyr interval and bootstrapped. Stacks were manually created by first identifying gaps in each site's original data and then averaging the means and errors across each age interval.

(Table A1) Raw data for both AMT20 Atlantic Ocean transect samples and western Pacific Ocean transect (SO228 and SO256) samples

Sea surface salinity (SSS) is the least constrained major variable of the past (paleo) ocean but is fundamental in controlling the density of seawater and thus large-scale ocean circulation. The hydrogen isotopic composition (δD) of non-exchangeable hydrogen of algal lipids, specifically alkenones, has been proposed as a promising new proxy for paleo SSS. The δD of surface seawater is correlated with SSS, and laboratory culture studies have shown the δD of algal growth water to be reflected in the δD of alkenones. However, a large-scale field study testing the validity of this proxy is still lacking. Here we present the δD of open-ocean Atlantic and Pacific surface waters and coincident δD of alkenones sampled by underway filtration. Two transects of approximately 100° latitude in the Atlantic Ocean and more than 50° latitude in the Western Pacific sample much of the range of open ocean salinities and seawater δD, and thus allow probing the relationship between δD of seawater and alkenones. Overall, the open ocean δD alkenone data correlate significantly with SSS, and also agree remarkably well with δD water vs δD alkenone regressions developed from culture studies. Subtle deviations from these regressions are discussed in the context of physiological factors as recorded in the carbon isotopic composition of alkenones. In a best-case scenario, the data presented here suggest that SSS variations as low as 1.2 can be reconstructed from alkenone δD.

Untersuchung des Transfers von nordatlantischem Tiefenwasser durch den Südatlantik unter Verwendung des kompletten WOCE-Tracerdatensatzes

Der Südatlantik stellt für die Rolle des Nordatlantischen Tiefenwassers (NADW) in der globalen Tiefenwasserzirkulation ('convoy belt') eine Schlüsselregion dar. In dem Vorhaben soll der komplette südatlantische WOCE-Tracerdatensatz zusammen mit weiteren Daten (insbesondere US Programm SAVE) im Bereich des NADW analysiert werden mit dem Ziel, aufbauend auf dem vorliegenden Wissen die Wege und Raten des NADW vom Eintritt am Äquator bis zum Übertritt in den Antarktischen Zirkumpolarstrom weiter aufzuklären. Hierbei soll zwischen den verschiedenen Stockwerken des NADW differenziert werden. Wichtige Teilfragen sind der Austausch des Westlichen Randstroms mit den Wässern östlich hiervon bis hin zum afrikanischen Kontinentalabhang, wobei dem Mittelatlantischen Rücken vermutlich eine besondere Rolle zukommt, sowie der Grad der Rezirkulation des westlichen Randstroms. Die Untersuchung wird sich ausschließlich auf vorhandene Datensätze stützen, Feldarbeiten sind nicht vorgesehen. Ein Vergleich mit Strömungs- und Tracerfeldern eines hochauflösenden Zirkulationsmodells (C. Böning) soll die Untersuchung unterstützen und gleichzeitig den Realitätsgrad der Modellfelder überprüfen.

Warmwassersphaere des Nordatlantiks

Die Forschungsarbeiten der Abteilung Regionale Ozeanographie werden sich weiterhin auf die physikalischen Prozesse in den oberen Schichten des offenen Ozeans, der Warmwassersphaere, konzentrieren. Dahinter steht die Notwendigkeit, die Transportprozesse zu verstehen, die den Einfluss des Ozeans auf die atmosphaerischen Klimaaenderungen fuer die Zeitskala des World Climate Research Programme bestimmen. Da diese Zeitskala den Bereich Wochen bis Monate umfasst, ist eine umfangreiche Expeditionstaetigkeit noetig. Neuentwickelte Messmethoden sollen dabei zum Einsatz kommen, so u.a. ein geschlepptes, vertikal undulierendes Geraet zur Erfassung der Dichteschichtung, ein akustisch arbeitendes Geraet zur Bestimmung der vertikalen Geschwindigkeitsverteilung in der ozeanischen Deckschicht sowie satelliten- bzw. funkgeortete Driftbojen. Begleitet wird die Messtaetigkeit durch die Entwicklung von Modellen (empirisch, diagnostisch, prognostisch). Schwerpunkte der Untersuchungen werden sein: - theoretische Untersuchungen zur geophysikalischen Turbulenz und ihre Anwendung auf Transportprozesse in der ozeanischen Warmwassersphaere, - Ursachen und Auswirkungen der Jahresschwankungen von Baroklinitaet und Haloklinitaet, - Entstehung ozeanischer Fronten und ihre Bedeutung fuer turbulente Transportprozesse, - Modellierung der Konvektion in der Deckschicht unter besonderer Beruecksichtigung des Tagesganges, - Struktur und Transporte des Nordatlantischen Stromes, - wissenschaftliche Analyse von Datensaetzen des Welt-Datenzentrums sowie von Expeditionen, insbesondere GATE 1974, JASIN 1978, FGGE 1979. Das Forschungsprogramm ist integraler Bestandteil des SFB 133.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), Einfluss von Jet-Front Systemen in der oberen Troposphäre auf die mesoskalige Struktur der Tropopauseninversionsschicht und Stratosphären-Troposphären Austausch (MESO-TIL)

Der vorliegende Antrag ist der HALO Mission WISE zuzuordnen. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Bildung der Tropopauseninversionsschicht (TIL) und deren Einfluss auf Stratosphären-Troposphären Austausch (STE) auf der Mesoskala. Diesem Projekt dienen idealisierte Studien der TIL in baroklinen Lebenszyklen als Grundlage. Die Hauptziele sind dabei die Überprüfung der Ergebnisse der idealisierten Studien zur TIL Bildung genauso wie ein erweitertes Verständnis der Prozesse, die zum STE auf der Mesoskala beitragen. Dabei soll auf drei wissenschaftliche Fragestellungen genauer eingegangen werden: (1) Wie stark schwankt die TIL in ihrem Auftreten über dem Nordatlantik, vor allem im Bereich barokliner Lebenszyklen und im Bereich von STE? (2) Welche Prozesse liefern den größten Beitrag zur TIL auf der Mesoskala und welchen Einfluss hat dies auf STE? (3) Wie groß ist der Beitrag von klein-skaligen Wellen in der unteren Stratosphäre auf die TIL Bildung und die Ausdehnung der extratropischen Mischungsschicht? Eine Kombination von Methoden wird verwendet werden um diese Fragen zu beantworten. Analysedaten des EZMW werden zusammen mit Lagrangeschen Methoden benutzt, um die TIL und STE über dem Nordatlantik zu untersuchen. Der Nordatlantik ist das Gebiet, das auch während WISE untersucht werden soll. Darüber hinaus sollen für WISE hoch aufgelöste Modellsimulationen mit dem neuen numerischen Wettervorhersagemodell ICON durchgeführt werden. Dabei sollen zum einen die Beiträge diverser Prozesse auf die Bildung der TIL am Beispiel von realen Zyklonen und Antizyklonen untersucht werden. Des Weiteren sollen die Modelldaten zusammen mit Beobachtungsdaten verwendet werden um den Einfluss der TIL und von klein-skaligen Wellen auf die vertikale Ausdehnung der extratropischen Mischungsschicht zu bestimmen.

Forschergruppe (FOR) 1740: Ein neuer Ansatz für verbesserte Abschätzungen des atlantischen Frischwasserhaushalts und von Frischwassertransporten als Teil des globalen Wasserkreislaufs, Variation of the fresh water in the western Nordic Seas

The goal of this project is to capture and analyse fluctuations of the fresh water in the western Nordic Seas and to understand the related processes. The East Greenland Current in the Nordic Seas constitutes an important conduit for fresh water exiting the Arctic Ocean towards the North Atlantic. The Arctic Ocean receives huge amounts of fresh water by continental runoff and by import from the Pacific Ocean. Within the Arctic Ocean fresh water is concentrated at the surface through sea ice formation. The East Greenland Current carries this fresh water in variable fractions as sea ice and in liquid form; part of it enters the central Nordic Seas, via branching of the current and through eddies. It controls the intensity of deep water formation and dilutes the water masses which result from convection. The last decades showed significant changes of the fresh water yield and distribution in the Nordic Seas and such anomalies were found to circulate through the North Atlantic. In this project the fresh water inventory, its spatial distribution and its pathways between the East Greenland Current and the interior Greenland and Icelandic seas shall be captured by autonomous glider missions. The new measurements and existing data will, in combination with the modeling work of the research group, serve as basis for understanding the causes of the fresh water variability and their consequences for the North Atlantic circulation and deep water formation.

Phosphor Speziation in Mineral Staub und Marineaerosol Partikeln

Makronährstoffe, wie Phosphor, sind wichtig für das Wachstum von Meeresmikroorganismen, wie Phytoplankton. Diese sind sehr bedeutsam für die marine Nährstoffkette und Biologie. Verschiedene Phytoplanktonarten emittieren klimarelvante organische Verbindungen, z.B. DMS, welches in der Atmosphäre zu Schwefelsäure oxidiert wird und anschließend zur Bildung neuer Aerosolpartikel beiträgt. Diese können weiterhin als potentielle Wolkenkondensaktionskeime dienen. Informationen über die Verfügbarkeit von Phosphor für diese Mikroorganismen sind somit essentiell für ein besseres Verständnis der Ozean-Atmosphären-Wechselwirkung. Der Haupteintrag von Phosphor in den offenen Ozean erfolgt vorwiegend über atmosphärische Deposition. Informationen über atmosphärische Phosphorkonzentrationen, die Bioverfügbarkeit und Quellen sind notwendig, um den Verbleib in den Ozeanen zu verstehen. Dabei werden vor allem in den Regionen des tropischen Nord- und Südost-Atlantik immer noch Daten benötigt. Die wenigen verfügbaren Daten basieren zumeist auf kurzzeitigen Schiffsmessungen, die in ihrer Anwendung auf langfristige Prognosen und jahreszeitlichen Zyklen sehr begrenzt sind. Um das Verständnis über die Phosphorverfügbarkeit, -quellen, und -bioverfügbarkeit in diesen ozeanischen Gebieten zu verbessern, sollen größenaufgelöste Langzeitmessungen zur Bestimmung des Phosphorgehalts von Aerosolpartikeln durchgeführt werden. Weiterhin werden analytische Methoden entwickelt und optimiert (basierend auf der Kombination von drei Techniken). Diese sollen eine empfindliche Bestimmung von löslichem als auch dem Gesamtphosphor in feinen Partikeln ermöglichen, aufgrund der geringen Aerosolmasse in dieser Größenfraktion. Die ermittelten Daten werden benutzt, um wichtige Quellen des Phosphors in diesen Regionen zu charakterisieren, die Rolle von unterschiedlichen Quellen wie Mineralstaub, Biomassenverbrennung, sowie anthropogenen Verbrennungsaerosols auf die Speziation (organische und anorganische Zusammensetzung), Löslichkeit und atmosphärische Prozessierung des Phosphors, sowie ihre saisonale Variabilität zu untersuchen. Darüber hinaus soll eine regionale Staubmodellsimulation angewendet werden, um den Aerosoltransport und die Staupdeposition in diesen Regionen besser zu beschreiben. Die Ergebnisse sind wichtig für kombinierte Modelle zur Ozean-Atmosphäre Wechselwirkung und das Verständnis der wichtigsten Faktoren, die den Verbleib von atmosphärischem Phosphor im Ozean beeinflussen.

Numerische Simulationen von Nebelereignissen in der Namib Region (NaFoLiCa-M)

In der Trockenwüste Namib an der Westküste Afrikas sind Nebelereignisse von großer Bedeutung nicht nur für die Pflanzen- und Tierwelt, sondern insbesondere auch für die Gewinnung von Trinkwasser mit Hilfe von Nebelwasserkollektoren. Um eine ökonomische Nutzung der Trinkwassergewinnung zu ermöglichen, sind genaue Kenntnisse der raumzeitlichen Entwicklung von Nebelereignissen unerlässlich. Aufgrund der komplexen topographischen Strukturen in der Namib Region lassen sich diese Kenntnisse flächendeckend nur mit Hilfe numerischer Simulationen gewinnen. Im vorliegenden Projekt soll, basierend auf dem mesoskaligen Wettervorhersagemodell COSMO des Deutschen Wetterdienstes, das dreidimensionale Nebelmodell COSMO-FOG entwickelt werden, mit dem Nebelereignisse in der Namib Region simuliert werden können. In COSMO-FOG sollen insbesondere die speziellen topographischen Gegebenheiten im Untersuchungsgebiet (Atlantischer Ozean, Küstenwüste, Große Randstufe) berücksichtigt werden, um das Auftreten der dort vorkommenden unterschiedlichen Nebelereignisse (Advektionsnebel, Strahlungsnebel, Hochnebel, etc.) realistisch simulieren zu können. Das beantragte Projekt ist Teil eines Paketantrags bestehend aus drei Einzelprojekten, zu denen neben NaFoLiCa-M auch bodengebundene Messungen (NaFoLiCa-F) sowie auf Fernerkundung basierende Nebelbeobachtungen (NaFoLiCa-S) gehören. Verknüpfungen zwischen den Teilprojekten bestehen in der gemeinsamen Prozessanalyse durch Verbindung der bodengebundenen und satellitengestützten Messungen sowie im Einsatz von COSMO-FOG zur Ermittlung der raumzeitlichen Nebelstrukturen.

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