Arbeitsgruppe Physik des Ozeans

Die Schwerpunkte unserer Arbeitsgruppe sind die Modellierung von globalem Klima auf langen Zeitskalen (Jahrhunderte bis Jahrtausende) sowie die Modellierung von regionalem Klima auf vergleichsweise kürzeren Zeitskalen (Jahrzehnte bis Jahrhunderte). Der Fokus liegt dabei auf der Identifizierung und dem Verständnis von physikalischen Prozessen, die für das Klimasystem relevant sind. Um die Prozesse und Wechselwirkungen möglichst realistisch zu erfassen, werden die einzelnen Komponenten des Klimasystems durch komplexe Modelle simuliert, die miteinander gekoppelt sind. Zur Simulation der Klimavariabilität auf Zeitskalen von Jahrtausenden wird eine verhältnismäßig grobe räumliche Auflösung verwendet. Die Modellierung von regionalem Klima hingegen erfordert eine hohe räumliche Auflösung. 

Neben der Simulation des Klimas modellieren wir auch Proxies , die üblicherweise in marinen Sedimentbohrkernen gemessen werden und benutzt werden um vergangene Klimate zu rekonstruieren. Die Modellierung dieser Proxies erlaubt eine direkte Modellvalidierung durch den Vergleich zu Proxies aus Sedimentbohrkernen und ermöglicht es vergangene Änderungen der tiefen Ozeanzirkulation besser zu verstehen. Aus den Simulationen sollen außerdem neue Transferfunktionen entwickelt werden, die die Größen in den Sedimentbohrkernen mit dem Zustand des Ozeans verbinden.

Globale Klimamodellierung / Paläoklima

Bei der Modellierung des globalen Klimas werden überwiegend vergangene Klimaänderungen betrachtet, die sich aus Proxydaten rekonstruieren lassen. Diese Simulationen dienen der Untersuchung vergangener Klimaschwankungen und ermöglichen außerdem das Verhalten der Klimamodelle in einem anderen Parameterbereich als dem des heutigen Klimas zu testen. Das langfristige Ziel dieser Arbeit ist es, transiente Simulationen des letzten Eiszeitzyklus, d.h. der vergangenen 135 000 Jahre, durchzuführen. Da in solchen Simulationen die Wechselwirkung zwischen Eisschilden und der Atmosphäre berücksichtigt werden muss, wurde das Max-Planck-Institut Erdsystemmodell (MPI-ESM) mit dem Eisschildmodell PISM gekoppelt.

Zur Zeit liegt der Fokus auf der Simulation und Analyse des letzten glazialen Maximums und des Übergangs von der letzten Eiszeit in die heutige Warmzeit. Von besonderem Interesse ist dabei das Verständnis der Antriebe der Klimaerwärmung und der damit einhergehenden massiven Eisschildschmelze, die das Ende der letzten Eiszeit charakterisieren. Die thermohaline Zirkulation im Atlantik während der letzten Eiszeit wird mit einer Modellkonfiguration mit vorgeschriebenen Eisschilden untersucht. Dabei geht es vor allem um die Sensitivität der Zirkulation gegenüber Änderungen von Treibhausgaskonzentrationen, Topographie und Sonneneinstrahlung sowie um mögliche Bifurkationspunkte und Schwellenwerte.

Beispiele:

  • Simulation der Eisschilde während des letzten glazialen Maximums und von Heinrich Ereignissen in einem voll gekoppelten Klima-Modell mit interaktiven Eisschilden (mehr in englischer Sprache)
  • Transiente Simulationen des Übergangs von der letzten Eiszeit in die heutige Warmzeit in einem voll gekoppelten Klima-Modell mit interaktiven Eisschilden
  • Der Effekt von verschiedenen Treibhausgaskonzentrationen auf die thermohaline Zirkulation im Atlantik während des letzten glazialen Maximums (mehr in englischer Sprache)

Kontakt: Marie Kapsch, Marlene Klockmann, Virna Meccia, Uwe Mikolajewicz, Florian Ziemen

Regionale Klimamodellierung

Wir sind außerdem an Ozean- und Atmosphärendynamik auf regionalen Skalen interessiert, im Besonderen in der Arktis und dem nordwesteuropäischen Schelf (NWES). Bei der Analyse von Simulationen der Vergangenheit und der Gegenwart möchten wir die natürliche Variabilität im Klimasystem verstehen. Bei Zukunftsprojektionen wird zusätzlich der anthropogen verursachte Klimawandel wichtig. Wir analysieren physikalische und biogeochemische Austauschprozesse zwischen Schelfmeeren und dem offenen Ozean und untersuchen Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Ozean und Meereis.

Globalmodelle können komplexe Topographie und kleinskalige Prozesse, wie zum Beispiel Konvektion an starkem Gefälle, nicht adäquat auflösen. Um eine höhere horizontale Auflösung in einem bestimmten Gebiet zu erhalten, verwenden wir ein regionales Modell-System, bestehend aus dem globalen Ozean-Meereismodell MPIOM, dem Biogeochemiemodell HAMOCC, dem regionalen Atmosphärenmodell REMO und dem hydrologischen Abflussmodell HD.

Beispiele:

  • Räumliche Variabilitätsmuster der physikalischen Bedingungen in der Nordsee und ihre zugrunde liegenden Antriebsmechanismen (mehr in englischer Sprache)
  • Zukünftige Änderungen der Wärmeschichtung im NWES und mögliche Effekte auf die Verteilung von Nährstoffen, die Schelf-Kohlenstoff-Pumpe und den trophischen Zustand des Ozeans
  • Einfluss großskaliger Klima- und Zirkulationsänderungen auf den zukünftigen biogeochemischen Zustand im NWES (mehr in englischer Sprache)
  • Mögliche Änderungen in der Statistik von Extremereignissen in den europäischen Meeren, wie zum Beispiel Sturmfluten
  • Variabilität des arktischen Süßwasserkreislaufes und die zugrunde liegenden Mechanismen (mehr in englischer Sprache)
  • Variabilität des sogenannten arktischen Odden im Nordmeer (mehr in englischer Sprache)
  • Zukünftige Änderungen des arktischen Meereises

Kontakt: Moritz Mathis, Uwe Mikolajewicz, Laura Niederdrenk

Modellierung von marinen Proxies

Marine Sedimentbohrkerne stellen Archive dar, die es erlauben, vergangene Änderungen des Ozeanzustandes zu rekonstruieren. Allerdings ist der Zusammenhang zwischen den in den marinen Sedimentbohrkernen gemessenen Größen und dem Zustand des Ozeans nicht trivial. Außerdem ist die Erstellung einer korrekten Chronologie der Ereignisse, die in den Sedimentbohrkernen gemessen werden, schwierig. Unsere Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung dieser beiden Aspekte.

Regionale Skala: Transferfunktion

Um neue Transferfunktionen zu entwickeln sind zeitlich hochauflösende Sedimentbohrkerne notwendig. Solche sind im Golf von Tarent (östliches Mittelmeer) zu finden. Unser Ziel ist die Rekonstruktion der zeitlichen Entwicklung des Ozeanklimas und von marinen biogeochemischen Zyklen in diesem Gebiet für das späte Holozän. Um den Zusammenhang zwischen den Proxies aus den Sedimentkernen und verschiedenen Ozeanzuständen abzuleiten benutzen wir Modellsimulationen des 20. Jahrhunderts. Die Simulationen werden mit einem wirbelerlaubenden Ozeanzirkulationsmodell (MPIOM) durchgeführt, das mit einem marinen Biogeochemiemodell (HAMOCC) gekoppelt ist. Die hohe räumliche Auflösung (ca. 9 km) erlaubt die Beschreibung von regional kleinskaligen Strukturen im Golf von Tarent. 

Weitere Informationen gibt es hier in englischer Sprache: TARANTO.

Globale Skala: Chronologien im tiefen Ozean

Wir sind außerdem an vergangenen Änderungen der globalen Zirkulation im tiefen Ozean interessiert, insbesondere an Änderungen von Ausbreitungsrichtungen und -zeiten. Wir untersuchen Heinrichereignisse um herauszufinden wie sich die zeitliche Entwicklung der Ozeanzirkulation während dieser abrupten Klimaänderungen aus Sedimentbohrkernen rekonstruieren lassen. Hierfür benutzen wir eine grobauflösende Version des Erdsystemmodells MPI-ESM, das mit dem dynamischen Eisschildmodell PISM gekoppelt ist. Ein in dem Modellsystem enthaltenes vereinfachtes Biogeochemiemodell erlaubt es, die zeitliche Entwicklung der marinen Proxies zu simulieren. Zudem können wir mit Hilfe von Alterstracern Änderungsmuster der Ventilation des tiefen Ozeans rekonstruieren. 

Weitere Informationen gibt es hier in englischer Sprache: OKTANT.

Kontakt: Feifei Liu, Uwe Mikolajewicz, Anne Mouchet