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Kurzfristige Variabilität von Klima und Ozeanographie des subtropischen Nordwest-Atlantik

Mit detaillierten paläo-ozeanographischen Zeitserien soll das Wechselspiel zwischen nord- und südatlantischen Wassermassen und die Veränderlichkeit des transäquatorialen Wärmestromes rekonstruiert werden. Über Passagen in den Kleinen Antillen fließt warmes Oberflächenwasser aus dem Nordatlantik durch das Tobago Becken in die Karibik. Dieses Wasser fließt weiter in den Golf von Mexiko, dem Ursprungsgebiet des warmen Golfstromes. Das hier beantragte Vorhaben konzentriert sich auf die mikropaläontologische Auswertung von Sedimentmaterial, das im Rahmen der fünften Expedition des internationalen IMAGES Projektes im Juni 1999 im Tobago Becken gewonnen wurde. Feinskalige Paläo-Oberflächentemperaturprofile sollen für die letzten 150.000 bis 200.000 Jahre mit Hilfe der statistischen Bearbeitung der Vergesellschaftung planktonischer Foraminiferen entlang eines 38 m langen Sedimentkernes erstellt werden. Damit sollen kurzfristige Variabilitäten im Warmwasserpool des subtropischen Nordatlantik nachgezeichnet und versucht werden, zeitliche und mechanistische Querbezüge zu den raschen Klimawechsel im nördlichen Nordatlantik abzuleiten.

Multibeam bathymetry processed data (Atlas Hydrosweep DS 3 echo sounder entire dataset) of RV POLARSTERN during cruise PS151, Atlantic Ocean

Multibeam data were collected during RV Polarstern cruise PS151 (2025-11-13 to 2025-12-12). Multibeam sonar system was Atlas Hydrographic Hydrosweep DS 3 multibeam echo sounder. Data are processed with Caris HIPS, including sound velocity correction with SV data from CTDs and World Ocean Atlas 23 (https://www.ncei.noaa.gov/archive/accession/NCEI-WOA23), tidal correction with TPXO9_atlas_v5 (https://www.tpxo.net), and manual cleaning. The soundings are combined in daily files, the format is XYZ ASCII (<Lon> <Lat> <Depth in meters, positive up, relative to mean sea level>). Additional grids have been computed with depth dependent cell size to visualize the data. These grids are not meant for scientific analysis or navigation, but for overview purposes only.

Multibeam bathymetry processed data (Atlas Hydrosweep DS 3 echo sounder entire dataset) of RV POLARSTERN during cruise PS132, Transit, Atlantic Ocean

Multibeam data were collected during RV Polarstern cruise PS132 (2022-08-31 to 2022-09-29). Multibeam sonar system was Atlas Hydrographic Hydrosweep DS 3 multibeam echo sounder. Data are processed with Caris HIPS, including sound velocity correction with SV data from CTDs, XBTs and World Ocean Atlas 18 (https://www.ncei.noaa.gov/archive/accession/NCEI-WOA18), tidal correction with TPXO9_atlas_v5 (https://www.tpxo.net), and manual cleaning. The soundings are combined in daily files, the format is XYZ ASCII (<Lon> <Lat> <Depth in meters, positive up, relative to mean sea level>). Additional blockmedian grids have been computed with depth dependent cell size to visualize the data. These grids are not meant for scientific analysis or navigation, but for overview purposes only.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1889: Regional Sea Level Change and Society (SeaLevel), Basales Schmelzen im Grönlandischen Eisschelf und die Auswirkungen auf Meeresspiegelschwankungen

Basales Schmelzen der Eisschelfe Grönlands (GrIS) ist einer der Hauptquellen für den GrIS Masseverlust und für den Meeresspiegelanstieg. Darüber hinaus ist das beschleunigte Abschmelzen in den letzten 20 Jahren auch durch den Einstrom von wärmerem Wasser in die Fjorde verursacht. Die basalen Abschmelzraten sind jedoch unsicher und offene Fragen bestehen bezüglich der relevanten Prozesse in den Fjorden, und wie viel und wie das Schmelzwasser aus den Fjorden in den Randstrom und weiter in den offenen Ozean gelangt. Diese Unsicherheiten können in Klimamodellen zu Fehlern in der zukünftigen Rolle des Schmelzwassers für die Zirkulation und Wassermassen Verteilung und somit zu Fehlern in der Projektion des regionalen Meeresspiegels führen. Bis jetzt gibt es nicht genügend geeignete Messungen, um Schmelzwasser im Inneren des Ozeans zu quantifizieren und die Pfade zu identifizieren. Wir beantragen hier die Messung von Helium und Neon Verteilungen um zu verfolgen wo und wie viel Schmelzwasser aus GrIS in den Randstrom und ins Ozeaninnere gelangt. Dazu wird eine Prozessstudie am 79N Gletscher durchgeführt sowie Messungen im Randstrom und im Inneren der Labradorsee. Die Ziele sind: (i) Abschätzung der basalen Schmelzwasseranteile im Nah und Fernfeld des 79N Gletschers, und der Menge an Schmelzwasser, die in den Randstrom befördert wird, (ii) Berechnung der Anteile an Schmelzwasser, die aus dem Randstrom in die Labradorsee gelangen, einer der Schlüsselregionen für die Atlantische Meridionale Umwälzbewegung, Abschätzung der Zunahme seit Anfang 2000, (iii) Auswertung von hochauflösenden Modellläufen die mit basalen Schmelzwasserquellen versehen wurden, um die Verteilung des Schmelzwassers und die beteiligten Prozesse zu analysieren und um (iv) die Auswirkungen der zunehmenden Schmelzraten auf die Entwicklung des regionalen Meeresspiegels im subpolaren Nordatlantik abzuschätzen.

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.

Sklerochronologie und Isotopie von Korallen in Belize, Zentralamerika

Vom größten Riffkomplex des Atlantischen Ozeans vor der Küste von Belize (Zentralamerika) liegen bislang keine historischen Klimadaten aus Korallen vor. In dem hier beantragten Projekt sollen 18 bereits vorliegende Bohrkerne aus massiven Korallen von Belize sklerochronologisch und geochemisch untersucht werden. Variationen der Wachstumsraten und Schwankungen in der isotopischen Zusammensetzung von Kohlenstoff und Sauerstoff in den Korallenskeletten sollen ermittelt werden, um eine Klimageschichte der letzten 150-200 Jahre für die Region aufzustellen. Da die Kerne in unterschiedlichen Rahmenbedingungen (offenmarine, lagunäre und landnahe Position; unterschiedliche Wassertiefen) genommen wurden, sollte es weiterhin möglich sein, Einflüsse lokaler Variationen von Umweltparametern wie Temperatur, Salinität, Nährstoffgehalten und Licht zu entziffern. Die Ergebnisse dieser Studie sollen mit publizierten historischen Klimadaten des COADS (comprehensive ocean-atmosphere data set) Datensatzes verglichen werden. Weiterhin ist geplant, die Daten mit anderen im Atlantik im Bereich der Sklerochronologie tätigen Arbeitsgruppen auszutauschen, um einen Beitrag zur Rekonstruktion der Veränderlichkeiten von Meeresströmungen und Klima im karibisch-atlantischen Raum zu leisten.

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.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Temperatursaisonalität des tropischen Pazifiks um den Schmelzwasserpuls 1A herum rekonstruiert anhand von Korallen der IODP Expedition 310

Saisonalität spielt eine fundamentale Rolle im Erdklima, aber die Entwicklung des Jahresgangs der Temperatur an der Erdoberfläche ist für die Vergangenheit nicht hinreichend bekannt - insbesondere nicht für den tropischen Ozean, der eine Schlüsselrolle in der globalen Klimadynamik spielt. Es wird angenommen, dass die Amplitude des Temperaturjahresgangs auf längeren Zeitskalen durch Änderungen der Erdbahnparameter moduliert wird. Die Saisonalität ist von großer Bedeutung für verbesserte Modellprojektionen zukünftiger Klimaentwicklung anhand retrospektiver Simulationen vergangener Klimazustände, aber quantifizierbare Informationen des Temperaturjahresgangs aus geologischen Archiven sind spärlich. Fossile Flachwasserkorallen liefern ein einzigartiges, aber relativ seltenes Archiv für die Saisonalität der Meeresoberflächentemperaturen im tropischen Ozean und können mit der U-Th Methode präzise datiert werden. Aufkommende Korallenarbeiten aus dem Atlantik zeigen, dass die Temperatursaisonalität des tropischen Oberflächenozeans während Interglazialen in erster Linie durch Veränderungen der Sonneneinstrahlung aufgrund Änderungen der Erdbahnparameter gesteuert wird, selbst in Perioden erheblicher Klimaschwankungen und abrupten Meeresspiegelanstiegs. Vergleichbare Informationen zu Glazialen und Deglazialen fehlen jedoch bisher. Wir schlagen vor, die Temperatursaisonalität des tropischen Pazifiks während des letzten Deglazials, mit einem speziellen Fokus auf den Schmelzwasserpuls (MWP) 1A (ca. 14,5 ka vor heute), zu rekonstruieren und zu quantifizieren, indem geochemische Proxies in den Skeletten fossiler Flachwasserkorallen (Porites) der IODP Expedition 310 'Tahiti Sea Level' gemessen werden. Ergänzt durch eine neue Sammlung rezenter Tahiti Porites Korallen aus der Nähe der Expedition 310 Bohrlokationen, die als rezente Messlatte dienen um die Unsicherheiten in unseren Rekonstruktionen besser abzuschätzen, wollen wir folgende Hypothesen testen. Wurde die Temperatursaisonalität des tropischen Pazifiks (1) während des letzten Deglazials und insbesondere (2) während des MWP-1A, einem Zeitraum, der durch abrupten Meeresspieganstieg und Klimawandel sowie erhebliche Klimaschwankungen gekennzeichnet war, hauptsächlich durch Veränderungen der Sonneneinstrahlung aufgrund von Änderungen der Erdbahnparameter gesteuert. Unsere zu erwartenden Korallenergebnisse werden wertvolle Proxydaten für den Vergleich mit modernsten Klimamodellsimulationen liefern, z.B. denen der Deutschen Klimamodellierungsinitiative PALMOD 'Vom letzten Interglazial zum Anthropozän - Modellierung eines kompletten glazialen Zyklus', und werden zu einem verbesserten Verständnis der saisonalen Reaktion tropischer pazifischer Klimavariabilität auf abrupte Störungen auf Glazial-Interglazial Zeitskalen beitragen. Dies ist von großer Bedeutung für verbesserte Projektionen zukünftiger pazifischer Klimavariabilität und ihrer globalen Fernwirkungen auf gesellschaftsrelevanten Zeitskalen.

THRESHOLDS: Klimatisch bedingte Prozesse auf die Heringsrekrutierng in der Nordsee anhand physiologischer Schwellenwerte

Das fundierteste mechanistische Verständnis, wie sich klimatisch bedingte, physikalische Bottom up Prozesse auf Tiere auswirken, kann durch Untersuchung der physiologischen Grundlagen zentraler Mechanismen (Überleben, Wachstum, Reproduktion) auf Veränderungen in den Mittelwerten und Abweichungen von multiplen Schlüsselfaktoren erreicht werden. Klimatisch bedingte Veränderungen bei Fischen scheinen von einer Anzahl von Prozessen hervorgerufen zu werden, welche das Überleben der frühen Lebensstadien beeinflussen. Dieses Projekt (THRESHOLDS) nutzt drei getrennte aber zusammenagierende Ansätze um einen step change in unserem mechanistischen Verständnis darüber zu erbringen, wie Klimavariabilität die Struktur und Funktion niedriger trophischer Ebenen in marinen Systemen beeinflusst (mit Fokus auf Ichthyo und Zooplankton). THRESHOLDS untersucht die ersten Zwei Lebensmonate, während dieser, die Jahrgangsstärke des Atlantischen Herings (Clupea harengus) in der Nordsee festgelegt wird. In Laborexperimenten sollen zum einen die Auswirkungen von Beuteart und größe auf die Physiologie von Fischlarven in unterschiedlichen thermischen Umgebungen getestet und stellvertretende Messungen des Ernährungszustands auf im Feld gefangene Larven übertragen werden. Zum anderen sollen durch erstmalige Feldbeprobungen die in situ Plankton (Proto, Mikro und Mesozooplankton) und Heringslarvendynamiken während der Herbst und Winterzeit in der Nordsee gemessen werden. Diese Planktondaten werden mit bereits vorhandenen Datensätzen erweitert, um eine einzigartige, siebenjährige Zeitserie der Nordsee Heringslarven und ihrer Beute (15-2000 mym) zu erhalten. Schließlich werden mittels Generalized Additive Mixed Models und Simulationen eines physiologischen Individuen-basierten Modells Schlüsselfaktoren identifiziert, die das larvale Wachstum innerhalb der Zeitserie steuern. THRESHOLDS verbessert den state-of-the-art mit seinem ganzheitlichen Ansatz i) Auswirkungen des Klimawandels auf die Rekrutierung einer Schlüsselart, ii) den vernachlässigten Protozooplankton Ichtyoplankton Link, iii) die Theorie der Optimalen Nahrungssuche für marine Fischlarven, und iv) die Kalibrierung und Nutzung von physiologischen Proxies für Feldproben. Überwinternde Nordseeheringslarven eignen sich ideal als Fallstudie, da i) eine der längsten, räumlich abgegrenzten Zeitserien für frühe Lebensstadien einer marinen Fischart vorhanden ist, ii) erfolgreiche Vorarbeiten die physiologischen Techniken entwickelt und Feldproben gesammelt haben, die in dieser Studie verwendet werden, iii) ein physiologisch basiertes IBM mit einer nachgewiesenen Erfolgsgeschichte vorhanden ist, und iv) ein sehr starkes internationales Netzwerk besteht, welches Eigenleistungen wie Schiffszeit oder historische Proben bereitstellt und, gemeinsam mit den Projekt PIs, ein unübertroffenes Grundlagenwissen über die Ökologie des Zielorganismus bietet.

Forschergruppe (FOR) 1740: Ein neuer Ansatz für verbesserte Abschätzungen des atlantischen Frischwasserhaushalts und von Frischwassertransporten als Teil des globalen Wasserkreislaufs, The Atmospheric Side of the Freshwater Budget

The focus of this project is to analyse the observed surface freshwater fluxes through improved estimates of evaporation and precipitation and their individual error characteristics in the HOAPS climatology and its ground validation in climate-related hotspots of the Atlantic Ocean. To enable that in a consistent manner we propose to establish an error characterization of the HOAPS evaporation data by triple collocations with ship and buoy measurements and between individual satellites and to improve the error characterization of the HOAPS precipitation by analysing available shipboard disdrometer data using point to area statistics. After these improvements, an analysis of the spatio-temporal variability of the surface fresh water balance E-P over the Atlantic Ocean is planned, especially with respect to the Hadley circulation and the hotspot regions of interest to related WPs. Also the atmospheric water transport shall be analysed in order to find the source or target region of local fresh water imbalances. And finally, a consistent inter-comparison of the upcoming global ocean surface salinity fields from SMOS with freshwater fluxes from the HOAPS climatology is proposed.

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