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Ausgewählte Forschungsthemen der Arbeitsgruppe "Dynamik regionaler Klimasysteme"

1. Langzeitstatistik der Tiefwasserbelüftung

Trotz des Rückgangs der Nährstoffversorgung nach den 1980er Jahren sind die beobachteten Sauerstoffverbrauchsraten in letzter Zeit höher als je zuvor, was die Auswirkungen der natürlichen Belüftung durch mit Sauerstoff angereicherte Salzwassereinbrüche begrenzt. Die Sauerstoffverbrauchsraten nach Salzwasserzuflüssen während nachfolgender Stagnationsperioden wurden anhand von Beobachtungen und Modellergebnissen für den Zeitraum 1850-2015 ermittelt. In den letzten Jahren enthielt die Belüftung von Wasser, das hauptsächlich aus der Oberflächenschicht stammt, höhere Konzentrationen an organischem Material, Zooplankton und höhere trophischen Lebensformen. Infolgedessen ist der Sauerstoffverbrauch in der Wassersäule relativ stärker als der Sauerstoffverbrauch im Sediment gestiegen, hauptsächlich aufgrund der Atmung von Zooplankton und höheren trophischen Lebensformen. Infolgedessen ist die natürliche Belüftung bei der Linderung von Sauerstoffmangel weniger effektiv geworden. Aber für den Effekt der Belüftung durch Einströme sind nicht nur MBIs (Major Baltic Inflow) sondern auch kleinere Einströme von Bedeutung. Die können die Wirkung eines MBIs scheinbar ändern wie z.B. in den Jahren 2003 und 2015.

Referenzen:

Meier, H. E. M., G. Väli, M. Naumann, K. Eilola, and C. Frauen, 2018: Recently accelerated oxygen consumption rates amplify deoxygenation in the Baltic Sea. J. Geophys. Res., 123, 3227-3240, https://doi.org/10.1029/2017JC013686

Neumann, T., H. Radtke and T. Seifert (2017). On the importance of Major Baltic Inflows for oxygenation of the central Baltic Sea. J. Geophys. Res. Oceans 122: 1090-1101, doi: 10.1002/2016jc012525

 

2. Einfluß der Klimavariabilität auf das Ökosystem der Ostsee

Die Klimavariabilität der letzten ~ 1000 Jahre und systematische Änderungen seit etwa 1850 dokumentiert durch historische Messungen wurden mit Hilfe regionalisierter Klimamodelldaten und historischer Beobachtungen aus dem Ostseeraum untersucht. Es wurde gezeigt, dass die Atlantische Multidekadische Oszillation (AMO) die niederfrequente Variabilität des Salzgehalts in der Ostsee und somit das marine Ökosystem beeinflusst. Daher modifizieren zusätzlich zu der Nordatlantischen Oszillation (NAO) auch multidekadische Variationen aktuelle Trends, z.B. in der Meeresoberflächentemperatur (SST), die vor allem der anthropogen induzierten Erwärmung zugeschrieben werden können, aber zeitweise durch niederfrequente Oszillation verstärkt bzw. abgemildert werden. Die jährlichen durchschnittlichen SST-Trends haben sich in den letzten Jahrzehnten im Vergleich zum langfristigen Trend seit 1850 verzehnfacht und werden hauptsächlich durch Änderungen der Lufttemperatur, des Auftriebs an der Küste und der Bewölkung auf offener See verursacht. Es wird erwartet, dass der Klimawandel den Wasserkreislauf in nördlichen Breitengraden verstärkt. In der Tat wurde ein statistisch signifikanter Trend des Nord-Süd-Gefälles für den Oberflächensalzgehalt für den Zeitraum 1900-2004 festgestellt, der hauptsächlich auf die verstärkte Wasserzufuhr durch einige Flüsse aus dem nördlichsten Einzugsgebiet zurückzuführen ist. Die beträchtliche Zunahme der Hypoxie seit 1898, die durch historische Sauerstoffmessungen belegt ist, wurde hauptsächlich durch veränderte Nährstoffbelastungen der Flüsse und atmosphärische Depositionen verursacht. Die Auswirkungen anderer Faktoren wie die Erwärmung und der eustatische Meeresspiegelanstieg waren vergleichsweise geringer, aber je nach Variable immer noch wichtig.

 

Referenzen:

Börgel, F., C. Frauen, T. Neumann, S. Schimanke, and H. E. M. Meier, 2018: Impact of the Atlantic Multidecadal Oscillation on Baltic Sea variability. Geophysical Research Letter, 45(18), 9880-9888, https://doi.org/10.1029/2018GL078943

Kniebusch, M., H. E. M. Meier, and T. Neumann, 2019: Temperature variability of the Baltic Sea since 1850 in model simulations and observations and attribution to atmospheric forcing. Journal of Geophysical Research – Oceans, under review.

Kniebusch, M., H. E. M. Meier, and H. Radtke, 2019: Changing salinity gradients in the Baltic Sea as a consequence of altered precipitation patterns in Northern Europe. Geophysical Research Letters, submitted.

Meier, H. E. M., K. Eilola, E. Almroth-Rosell, S. Schimanke, M. Kniebusch, A. Höglund, P. Pemberton, Y. Liu, G. Väli, and S. Saraiva, 2018: Disentangling the impact of nutrient load and climate changes on Baltic Sea hypoxia and eutrophication since 1850. Climate Dynamics, 1-22, https://doi.org/10.1007/s00382-018-4296-y

Meier, H. E. M., K. Eilola, E. Almroth-Rosell, S. Schimanke, M. Kniebusch, A. Höglund, P. Pemberton, Y. Liu, G. Väli, and S. Saraiva, 2018: Correction to: Disentangling the impact of nutrient load and climate changes on Baltic Sea hypoxia and eutrophication since 1850. Climate Dynamics, 1-3, https://doi.org/10.1007/s00382-018-4483-x

 

3. Bewertung von Unsicherheiten bei der Modellierung und Projektionen des Ökosystems der Ostsee

Um die Qualität von regionalen Klimamodellen zu verbessern, wurde vom IOW ein internationales Modellvergleichsprojekt für die Ostsee (BMIP) initiiert. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die mittlere Zirkulation zwischen den Hindcast-Simulationen erheblich variiert, obwohl modelierte Temperaturen und Salzgehalte relativ gut mit den Beobachtungen übereinstimmen. Unterschiede bei den barotropen Geschwindigkeiten wurden durch die Verwendung verschiedener atmosphärischer Antriebsdatensätze erklärt. Daher wurden neue koordinierte Experimente mit hochaufgelösten Reanalyse-Daten angeregt und z.T. schon durchgeführt.

Darüber hinaus wurden neue Projektionen und Sensitivitätsstudien durchgeführt. Anhand eines gekoppelten physikalisch-biogeochemischen Modells wurde der Einfluss des vergangenen und des zukünftigen globalen Meeresspiegelanstiegs (GSLR) auf den Wasseraustausch und die Sauerstoffverhältnisse in der Ostsee untersucht. In High-End-Projektionen (> ~ 1 m) sind die Auswirkungen des GSLR bedeutenf, weil im Vergleich zu den heutigen Bedingungen durch eine verstärkte Salzwasserzufuhr die vertikalen Schichtung verstärkt wird. Im Gegensatz zur Intuition führt eine verstärkte Belüftung des Tiefenwassers möglicherweise nicht zu insgesamt verbesserten Sauerstoffbedingungen, sondern zu erweiterten toten Bodenbereichen, die mit erhöhten Phosphorbelastungen aus den Sedimenten und einem erhöhten Risiko für Cyanobakterienblüten einhergehen.

Innerhalb von Baltic Earth koordinierte IOW eine internationale Arbeitsgruppe, die die Auswirkungen der Umsetzung des Ostseeaktionsplans (BSAP) auf den zukünftigen Umweltzustand durch Analyse von Multi-Modell-Ensemblesimulationen für das 21. Jahrhundert untersuchte. Es wurde festgestellt, dass die Annahmen über die Nährstoffbelastung in gegenwärtigen und zukünftigen Zeiträumen erheblich zwischen den Modellen abweichen, was zu einer erheblichen Streuung der Prognosen führt. Die Umsetzung des BSAP wird jedoch zu einer erheblichen Verbesserung des Umweltzustands der Ostsee führen. Die größten Unsicherheiten beziehen sich auf (1) unbekannte gegenwärtige und zukünftige bioverfügbare Nährstoffbelastungen von Land und Atmosphäre, (2) den experimentellen Aufbau, (3) Unterschiede zwischen den Projektionen globaler und regionaler Klimamodelle, insbesondere in Bezug auf den globalen mittleren Meeresspiegelanstieg und den regionalen Wasserkreislauf, (4) unterschiedliche modellspezifische Reaktionen der simulierten biogeochemischen Zyklen auf langfristige Veränderungen der externen Nährstoffbelastung und des Ostseeraumklimas sowie (5) unbekannte zukünftige Treibhausgasemissionen.

 

Referenzen:

Placke, M., H. E. M. Meier, U. Gräwe, T. Neumann, C. Frauen and Y. Liu, 2018: Long-term mean circulation of the Baltic Sea as represented by various ocean circulation models, 2018. Frontiers in Marine Science, 5:287. https://doi.org/10.3389/fmars.2018.00287

Meier, H. E. M., A. Höglund, E. Almroth-Rosell, and K. Eilola, 2017: Impact of accelerated future global mean sea level rise on hypoxia in the Baltic Sea. Climate Dynamics, 49, 163-172, doi:10.1007/s00382-016-3333-y.

Meier, H. E. M., M. Edman, K. Eilola, M. Placke, T. Neumann, H. Andersson, S.-E. Brunnabend, C. Dieterich, C. Frauen, R. Friedland, M. Gröger, B. G. Gustafsson, E. Gustafsson, A. Isaev, M. Kniebusch, I. Kuznetsov, B. Müller-Karulis, A. Omstedt, V. Ryabchenko, S. Saraiva, and O. P. Savchuk, 2018: Assessment of eutrophication abatement scenarios for the Baltic Sea by multi-model ensemble simulations. Frontiers in Marine Science, 5:440, https://doi.org/10.3389/fmars.2018.00440

Meier, H. E. M., M. Edman, K. Eilola, M. Placke, T. Neumann, H. Andersson, S.-E. Brunnabend, C. Dieterich, C. Frauen, R. Friedland, M. Gröger, B. G. Gustafsson, E. Gustafsson, A. Isaev, M. Kniebusch, I. Kuznetsov, B. Müller-Karulis, M. Naumann, A. Omstedt, V. Ryabchenko, S. Saraiva, and O. P. Savchuk, 2019: Assessment of uncertainties in scenario simulations of biogeochemical cycles in the Baltic Sea. Frontiers in Marine Science, in press.

 

4. Entwicklung eines regionalen Klimasystemmodells für Klimastudien im Ostseeraum

Die fast vollständig von Land umschlossene Ostsee liegt in Nordeuropa und beherbergt ein komplexes Ökosystem. Dieses wird durch den Klimawandel beeinflusst. Entsprechende Informationen aus spärlichen Langzeitbeobachtungen sind jedoch begrenzt und globale Modelle mit grober Auflösung lösen lokale Atmosphäre-Ozean-Wechselwirkungen nicht auf. Daher wird derzeit ein regionales Klimasystemmodell (IOW-RCSM) entwickelt, um den regionalen vergangenen und zukünftigen Klimawandel in der Ostsee zu untersuchen (Abbildung 1). In einem ersten Schritt wird das Atmosphärenmodell COSMO-CLM (Rockel et al., 2008) mit dem Ozeanmodell MOM-5 (Griffies, 2012) mit Hilfe des Kopplers OASIS3-MCT (Valcke et al., 2015) gekoppelt. Das Modell MOM-5 ist bereits intern mit dem Meereismodell SIS (Winton, 2000) und dem Ökosystemmodell ERGOM (Neumann, 2010) gekoppelt. Eine erste Version dieses gekoppelten Modellsystems befindet sich derzeit in der Testphase. In der Produktionsphase wird eine Simulation für die jüngste Vergangenheit durchgeführt und mit Beobachtungen bewertet werden, die am IOW und in anderen Datenbanken verfügbar sind. Sie geben Auskunft über den aktuellen Zustand der Ostsee. Darüber hinaus wird das IOW-RCSM dazu verwendet, um die Paläoklimavariabilität in der Ostseeregion zu untersuchen.


Komponenten des regionalen Klimasystemmodells für den Ostseeraum (IOW-RCSM), das derzeit entwickelt wird
Abbildung 1:Komponenten des regionalen Klimasystemmodells für den Ostseeraum (IOW-RCSM), das derzeit entwickelt wird

 

Referenzen:

Griffies, S.M., (2012), Elements of the Modular Ocean Model (MOM). GFDL Ocean, Group Technical Resport No. 7, NOAA/Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, 618pp.

Neumann, T., (2010), Climate-change effects on the Baltic Sea ecosystem, A model study, Journal of Marine Systems 81, 213-224, doi: 10.1016/j.jmarsys.2009.12.001.

Rockel, B., A. Will and A. Hense, (2008) The Regional Climate Model COSMO-CLM (CCLM), Meteorologische Zeitschrift Vol. 17 No. 4, p. 347 – 348, doi: 10.1127/0941-2948/2008/0309.

Valcke, S., T. Craig, and L. Coquart, (2015), OASIS3-MCT User Guide, OASIS3-MCT 3.0, Technical Report, TR/CMGC/15/38, CERFACS/CNRS SUC URA No 1875, Toulouse, France.

Winton, M., (2000), A reformulated three-layer sea ice model, Journal of Atmospheric and Ocean Technology, 17, 525-531, doi: 10.1175/1520-0426(2000)017<0525:ARTLSI>2.0.CO;2.