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REFOPLAN 2022 - Ressortforschungsplan 2022, Veränderungen der Ozeane als CO2-Senke im Klimasystem, die Rolle der Polargebiete und Bewertung potentieller Kipppunkte - Teil 1 (Fokus Arktis)

Die Ozeane sind allein schon durch ihre Masse ein zentrales Element des Klimasystems und des Kohlenstoffkreislaufes. Sie nehmen sehr hohe Mengen an Wärme und CO2 auf, verteilen sie über die Ozeanströmungen und puffern so unter anderem auch die anthropogenen Treibhausgase und Temperaturerhöhungen ab. Insbesondere die polaren Ozeane sind aufgrund der Bildung von Tiefenwasser wichtige CO2-Senken, die durch die zunehmende Erwärmung, den verstärkten Süßwassereintrag auf Grund der Land- und Meereisschmelze und auch durch die veränderte Meereschemie (z.B. Versauerung) gefährdet sind. Gleichzeitig nehmen Anzeichen zu, dass die globalen Meeresströmungen sich verändern und somit auch die Umverteilung von Wärme und Gasen beeinflusst wird. Das Vorhaben soll analysieren, welche Kipppunkte des Erd-Klimasystems in den Polargebieten verortet sind und welche Wissenslücken zur CO2-Aufnahmekapazität, insbesondere im Zusammenhang mit der biologischen Kohlenstoffpumpe, bestehen. Auf dieser Basis sollen die arktischen CO2-Senken definiert und quantifiziert sowie ihre zukünftige Rolle im sich veränderten globalen Klimasystem entsprechend aktueller IPCC-Klimaszenarien, bewertet werden. Dafür sollen im Vorhaben (Teil 1, Fokus Arktis) alle verfügbaren Daten für die Arktis gezielt weiterverarbeitet, ausgewertet und aufbereitet werden. Das übergeordnete Ziel ist, die politische Entscheidungsebene besser zu informieren und so die verstärkt benötigten Schutzambitionen in den Polarregionen zu unterstützen. Antarktisspezifische Analysen sind in einem zweiten Teilvorhaben geplant (vsl. 02/2025 bis 02/2026) und sollen - soweit möglich - in das Gesamtergebnis einfließen. Die vorläufigen Ergebnisse des Vorhabens sollen im Frühjahr 2025 in einer internationalen Fachveranstaltung (Fachkonferenz/Workshop) diskutiert und - soweit möglich - peer-reviewed publiziert werden.

GTS Bulletin: ISND78 AMDW - Observational data (Binary coded) - BUFR (details are described in the abstract)

The ISND78 TTAAii Data Designators decode as: T1 (I): Observational data (Binary coded) - BUFR T1T2 (IS): Surface/sea level T1T2A1 (ISN): Synoptic observations from fixed land stations at non-standard time (i.e. 01, 02, 04, 05, ... UTC) A2 (D): 90°E - 0° northern hemisphere (Remarks from Volume-C: NATIONAL AUTOMATIC SYNOP)

Multibeam bathymetry processed data (EM 1002 echosounder entire dataset) of RV MARIA S. MERIAN during cruise MSM62/2

Swath sonar bathymetry data used for that dataset was recorded during RV MARIA S. MERIAN cruise MSM62/2 using Kongsberg EM1002 multibeam echosounder. The cruise took place between 23.03.2017 and 27.03.2017 in the Baltic Sea. The cruise aimed to investigate the impact of the Littorina transgression on the inflow of saline waters into the western Baltic and assessed the potential for future diminution of ventilation in the central and northern deeper basins due to isostatic uplift [CSR]. CI Citation: Paul Wintersteller (seafloor-imaging@marum.de) as responsible party for bathymetry raw data ingest and approval. During the MSM62/2 cruise, the moonpooled KONGSBERG EM1002 multibeam echosounder (MBES) was utilized to perform bathymetric mapping in shallow depths. The echosounder has a curved transducer in which 111 beams are formed for each ping while the seafloor is detected using amplitude and phase information for each beam sounding. For further information on the system, consult https://www.km.kongsberg.com/. Postprocessing and products were conducted by the Seafloor-Imaging & Mapping group of MARUM/FB5, responsible person Paul Wintersteller (seafloor-imaging@marum.de). The open source software MB-System (Caress, D. W., and D. N. Chayes, MB-System: Mapping the Seafloor, https://www.mbari.org/products/research-software/mb-system, 2017) was utilized for this purpose. A sound velocity correction profile was applied to the MSM62/2 data; there were no further corrections for roll, pitch and heave applied during postprocessing. A tide correction was applied, based on the Oregon State University (OSU) tidal prediction software (OTPS) that is retrievable through MB-System. CTD measurements during the cruise were sufficient to represent the changes in the sound velocity throughout the study area. Using Mbeditviz, artefacts were cleaned manually. NetCDF (GMT) grids of the edited data as well as statistics were created with mbgrid. The published bathymetric EM1002 grid of the cruise MSM62/2 has a resolution of 15 m. No total propagated uncertainty (TPU) has been calculated to gather vertical or horizontal accuracy. A higher resolution is, at least partly, achievable. The grid extended with _num represents a raster dataset with the statistical number of beams/depths taken into account to create the depth of the cell. The extended _sd -grid contains the standard deviation for each cell. The DTMs projections are given in Geographic coordinate system Lat/Lon; Geodetic Datum: WGS84.

Multibeam bathymetry processed data (EM 1002 echosounder entire dataset) of RV MARIA S. MERIAN during cruise MSM51/1

Swath sonar bathymetry data used for that dataset was recorded during RV MARIA S. MERIAN cruise MSM51/1 using Kongsberg EM1002 multibeam echosounder. The cruise took place between 01.02.2016 and 27.02.2016 in the Baltic Sea. The cruise aimed to perform seismo- and hydroacoustic surveys, sampling of Holocene sediments and to investigate the water column wintertime mixing close to sea-ice limits. These surveys improved the understanding of variations in the ventilation of the deeper Baltic, considering not only external climate forcing but also the effects of postglacial sealevel rise and isostatic uplift [CSR]. CI Citation: Paul Wintersteller (seafloor-imaging@marum.de) as responsible party for bathymetry raw data ingest and approval. During the MSM51-1 cruise, the moonpooled KONGSBERG EM1002 multibeam echosounder (MBES) was utilized to perform bathymetric mapping in shallow depths. 111 beams are formed for each ping while the seafloor is detected using amplitude and phase information for each beam sounding. For further information on the system, consult https://www.km.kongsberg.com/. Postprocessing and products were conducted by the Seafloor-Imaging & Mapping group of MARUM/FB5, responsible person Paul Wintersteller (seafloor-imaging@marum.de). The open source software MB-System (Caress, D. W., and D. N. Chayes, MB-System: Mapping the Seafloor, https://www.mbari.org/products/research-software/mb-system, 2017) was utilized for this purpose. A sound velocity correction profile was applied to the MSM51-1 data; there were no further corrections for roll, pitch and heave applied during postprocessing. A tide correction was applied, based on the Oregon State University (OSU) tidal prediction software (OTPS) that is retrievable through MB-System. CTD measurements during the cruise were sufficient to represent the changes in the sound velocity throughout the study area. Using Mbeditviz, artefacts were cleaned manually. NetCDF (GMT) grids of the edited data as well as statistics were created with mbgrid. The published bathymetric EM1002 grid of the cruise MSM51-1 has a resolution of 15 m. No total propagated uncertainty (TPU) has been calculated to gather vertical or horizontal accuracy. A higher resolution is, at least partly, achievable. The grid extended with _num represents a raster dataset with the statistical number of beams/depths taken into account to create the depth of the cell. The extended _sd -grid contains the standard deviation for each cell. The DTMs projections are given in Geographic coordinate system Lat/Lon; Geodetic Datum: WGS84.

Multibeam bathymetry processed data (Kongsberg EM2040 working area dataset) of RV ALKOR during cruise AL632, Adlergrund, Baltic Sea

Swath sonar bathymetry data used for that dataset was recorded during RV ALKOR during cruise AL632 using Kongsberg EM2040 multibeam echosounder. The cruise took place between 06.05.2025 - 13.05.2025 in the German Baltic Sea. The approximate average depth of the mapped area is around 18m. To enhance MBES data accuracy, sound velocity profile (SVP) casts were conducted in the vicinity of the working area prior to and after each survey using a CTD. In the case of the Adlergrund_West area the SVP after the survey was applied via the processing software Qimera (https://qps.nl/qimera/#). Data were manually edited for false measurements using Qimera. A raster was calculated and stored in GeoTIFF format with a 0.5 m resolution (negative values), WGS84 as vertical datum and UTM as a projection. Two working areas are located within (Adlergrund West) and adjacent to (Reference Area) the Marine Protected Area Adlergrund. The mapping has been conducted for baseline habitat studies in the area.

Dynamisch erweiterbare Simulationsumgebung für regenerative Energiesysteme (DESIRE)

DESIRE ist eine an der HTW Berlin entwickelte Simulationsumgebung für regenerative Energiesysteme. Obwohl diese Simulationsumgebung extrem viele Freiheitsgrade bietet, ist ein Erlernen auch für Personen mit geringeren Computerkenntnissen in kürzester Zeit möglich. Um dies zu erreichen, baut DESIRE auf MS Excel als Entwicklungsumgebung auf, wobei Geschwindigkeitsnachteile von MS Excel bei komplexen Simulationsrechnungen durch die Entwicklung höherer Funktionsbibliotheken in einer höheren Programmiersprache wie C++ in Form von Dynamic Link Libraries (DLL) kompensiert werden. DESIRE enthält verschiedene Funktionsbibliotheken aus unterschiedlichen Bereichen regenerativer Energien, die sich dynamisch zu Werkzeugen oder komplexen Simulationsmodulen kombinieren lassen. Zahlreiche Analyse- und Simulationswerkzeuge (Tools) bieten auch dem Laien die Möglichkeiten der Analyse regenerativer Energiesysteme mit DESIRE. Eine Online-Version von DESIRE ermöglicht zusätzlich das Ausführen von DESIRE-Tools auch direkt über das Internet und erweitert so das eLearning-Angebot der HTW Berlin. Die Tools wurden in JAVA implementiert und erfordern zum Ausführen lediglich einen Webbrowser und ein aktuelles JAVA-Plugin. Hier können Anwender spielerisch komplexe funktionale Zusammenhänge verinnerlichen. DESIRE ist ein internes Projekt der HTW Berlin. Die Simulationsumgebung wird inzwischen in der Lehre und in weiteren Drittmittelprojekten wie dem Solar Decathlon Europe (SDE) eingesetzt.

Stadtklimatologie, Messung der Inversionshoehe ueber Koeln mittels Sodar

Es ist das Ziel des Vorhabens, ein physikalisch realistisches Rechenmodell zu schaffen, dass den Auf- und Abbau der naechtlichen und winterlichen Inversionen ueber dem Stadtgebiet vorherzusagen ermoeglicht. Die Kontrolle und Erfassung der Phaenomenologie erfolgen durch vertikal sondierenden Schallradar und staendige Messung der Strahlung, Feuchte, Temperatur und des Windes. Der Aufbau eines Messnetzes innerhalb des Stadtgebietes wird vorbereitet. Bereits vorhandene Windmessungen werden ausgewertet und mit gleichzeitigen Schadstoffmessungen korreliert.

Diversität, metabolische Aktivität und Anpassung von Bakterien in marinen Oberflächenfilmen

Neue Befunde zeigen, dass die Umsetzung von organischem Material durch Bakterioneuston in marinen Oberflächenfilmen (engl. sea-surface microlayer, SML) eine Rolle spielen, bei der Kontrolle des Flusses von klimarelevanten Spurengasen, sowie bei der Speicherung von anthropogenen Ablagerungen aus der Atmosphäre. Unsere früheren Untersuchungen weisen auf die Bedeutung der bakteriellen Aktivität bzgl. des Kohlenstoffzyklus in der SML hin, heben aber auch die vielen unbekannten Einflüsse des Bakterioneuston in der SML hervor. Besonders photochemische Umwandlung von organischem Material, in Verbindung mit schädlichen Effekten durch Sonnenstrahlung auf die Bakterien in der SML, wurden bisher nicht detailliert untersucht. Demzufolge besteht unsere Motivation für das vorgeschlagene Projekt darin, das Wissen über Stoffwechselprozesse und Anpassungen von Bakterien in der SML in ihrer Gesamtheit, aber auch auf Einzelzell- und Stammebene, in Bezug auf physikalische und chemische Variabilität in dieser Grenzschicht zu untersuchen. Des Weiteren ist das Zooplankton eine wichtige Komponente für die Verbindung zwischen Phytoplankton, Bakterien und den höheren Ebenen des Nahrungsnetzes in der SML, wobei auch hier für das Verständnis relevante Daten fehlen. Daher werden wir im Rahmen des Projektes zum ersten Mal Studien zur Verbreitung des Zooplanktons sowie zu dessen Fressverhalten in der SML der Nordsee durchführen.

Fernerkundung atmosphaerischer Parameter und deren Nutzung fuer die Untersuchung klimarelevanter Prozesse sowie von Spurenstofftransporten und -umsetzungen

Untersuchung klimarelevanter Prozesse im mesoskaligen Bereich durch die Erfassung meteorologischer Groessen und Spurenstoffe mit Hilfe von bodengebundenen, flugzeug-, ballon- oder satellitengetragenen Instrumenten. Dazu gehoeren die Entwicklung und Erprobung neuer Verfahren und Messgeraete zur Fernerkundung atmosphaerischer Parameter. Mit Ballonmessungen werden die photochemischen Umsetzungen und der Tagesgang von Spurenstoffen in der Atmosphaere verfolgt. Beitraege zu umweltrelevanten Problemen (z.B. Ozonloch) ergeben sich aus den bodengebundenen Spurengasmengen. Teilziele sind: Einsatz von Michelson-Interferometern, Erprobung bodengebundener Fernmessverfahren fuer Messungen in der Troposphaere (SODAR, RADAR, RASS), Verfahren zur Gewinnung von Landoberflaechenparametern, meteorologischen Vertikalprofilen und Spurengasverteilungen aus Satellitendaten, Untersuchung von Transportvorgaengen und zeitlichem Verlauf von Konzentrationsaenderungen und photo-chemischen Umsetzungen.

Messgeräteplattform & Sensorpaket zum hybriden Monitoring von Fließgewässern

Das Wasserfahrzeug als Messgeräteplattform besteht aus einem durch zwei Motoren angetriebenen Katamaran. Das Sensorpaket beinhaltet Messtechnik zur gleichzeitigen Erfassung der Gewässergüte (Multiparametersonde), der Gewässertopografie (Vertikal-Echolot, Seitensichtsonar) sowie hochaufgelöster Strömungsverhältnisse im Fließquerschnitt (9-strahlige Akustik-Doppler-Sonde). Weiter ist ein LiDAR-Sensor zur Erfassung und Kartierung der Ufervegetation bzw. Bebauung an und in Gewässerrandstreifen vorgesehen. Für eine georeferenzierte Datenerfassung soll die Messgeräteplattform mit einem GNSS-Empfänger (RTK-Genauigkeit) ausgestattet werden und ergänzend eine Zielmarke erhalten, sodass ein Tracking über Kopter und Vermessungsdrohnen (UAVs) ermöglicht wird. Mit den Messgeräten sollen Forschungsfragen in den Handlungsfeldern „Digitalisierung der Wasserwirtschaft“, „Resilienz gegenüber Hoch- und Niedrigwasserereignissen“ und „Neue Verfahren zur Datenerhebung in der Wasserwirtschaft“ beantwortet werden. Grundlegend wird mit dem Großgerät die Aufnahme von Messdaten angestrebt, die möglichst viele gewässerbezogene Parameter enthalten. So soll eine Datenbasis geschaffen werden, welche die Grundlage für die Beantwortung der folgenden Forschungsfragen darstellt: - Inwiefern sind datengetriebene Modelle in der Lage, strukturelle Veränderungen im Gewässer abzubilden und diese auf Wasserstand-Abfluss-Beziehungen zu übertragen bzw. ebendiese zu aktualisieren? - Lassen sich räumliche und raumzeitliche (Auto-) Korrelationen von Niederschlag- und Abflussdaten mittels maschineller Lernverfahren (ML) (insbesondere Long Short-Term Memory-Methoden) modellieren und welchen Einfluss haben Menge und Qualität der Eingangsdaten auf die Genauigkeit der Systemantwort „Abfluss“? - Wann und wo finden Sedimentationsprozesse in Speichersystemen (z. B. Talsperren) statt und können diese durch gezielte Bewirtschaftungspläne verhindert werden? - Welche Auswirkungen hat die Volumenänderung auf die Bewirtschaftung von Speichersystemen und die Bereitstellung bzw. Aufrechterhaltung der Wasserversorgung?

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