Abgeschlossene Projekte

PRIMAVERA ist ein „Horizon 2020“-Projekt, das von der Europäischen Kommission gefördert wird. Das Projekt ist eine Zusammenarbeit zwischen 19 europäischen Partnern, unter der Leitung des Met Office und der University of Reading. Die Hauptziele des Projekts sind die Entwicklung einer neuen Generation fortschrittlicher und gut evaluierter hochauflösender globaler Klimamodelle sowie die Durchführung von Simulationen und Vorhersagen des regionalen Klimas mit bisher unerreichter Genauigkeit.

Jan Hegewald | Thomas Jung | Stephan Juricke | Thomas Rackow | Dmitry Sein | Tido Semmler

NAtMAP ist ein europäisches Konsortialprojekt im Rahmen des ERA-Net.RUS-Förderprogramms, mit Partnern vom Institut für Ozeanologie der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IOPAN) und dem Institut für Numerische Mathematik der Russischen Akademie der Wissenschaften (INMRAS).

Der Anteil des AWI wird bis Mitte 2018 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Das Hauptziel des Projekts ist es, langjährige, verbreitete Verzerrungen in der simulierten Hydrographie des Nordatlantiks zu verstehen und zu reduzieren, insbesondere durch die Analyse des Einflusses der ozeanischen Auflösung in Schlüsselländern wie dem Golfstrom- und Nordatlantikstromgebiet, dem Labradormeer und dem Dänemarkstrasse. Das Hauptwerkzeug für diese Forschung ist das unstrukturierte Netzmuster-Modell FESOM.

Helge Goessling | Özgür Gürses | Thomas Rackow | Dmitry Sidorenko

1,5°C-Ziel und das Westantarktische Eisschild

ZUWEISS ist ein vom BMBF gefördertes Projekt, das die Vorteile einer Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5°C und 2°C untersucht.

Das Überschreiten kritischer Temperaturgrenzwerte im Südlichen Ozean kann zum irreversiblen Kollaps des Westantarktischen Eisschildes führen. Dies würde einen Meeresspiegelanstieg von mehreren Metern zur Folge haben, die globale ozeanische Zirkulation beeinflussen und somit Konsequenzen für das weltweite Klima nach sich ziehen. Um das Ausmaß und die Unsicherheit dieser Auswirkungen bei gegebener globaler Erwärmung (1,5°C, 2°C, Business-as-usual: etwa 4°C) zu bestimmen, werden weltweit verfügbare Szenarien sowie neue Simulationen mit dem Klimamodell des Alfred-Wegener-Instituts (AWI-CM) und einem hochmodernen Eisschildmodell kombiniert. Paläoklimatische Szenarien dienen als Referenzpunkt und können verwendet werden, um die Qualität der Modellstudien zu bewerten. Das Ziel dieses Projekts ist es, herauszuarbeiten, welche positiven Folgen eine Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5°C über dem vorindustriellen Niveau – ein Ziel, das derzeit politisch diskutiert wird – im Vergleich zu weniger ambitionierten Zielen wie dem 2°C-Limit oder sogar dem Verzicht auf eine Reduktion der Treibhausgaskonzentrationen hätte.

Öffentlich verfügbare Simulationen des Coupled Model Intercomparison Project 5 (CMIP5) werden als Eingabedaten für das Eisschildmodell verwendet, um Veränderungen im Eisschild und Schelfeis in den nächsten Jahrhunderten zu untersuchen. Um die Rückkopplungsmechanismen zwischen Schelfeis, Ozean und Atmosphäre zu berücksichtigen, werden erstmals gekoppelte Eisschild-Ozean-Atmosphäre-Simulationen in hoher horizontaler Auflösung und auf Klimazeitskalen von mehreren Hundert Jahren durchgeführt (Abbildung 1). Der Fokus liegt auf dem antarktischen Eisschild, wird jedoch im Verlauf des Projekts auf Veränderungen in anderen Regionen (Arktis, nördliche und südliche gemäßigte Breiten, Tropen) ausgeweitet.

Özgür Gürses | Madlene Pfeiffer | Christian Rodehacke | Tido Semmler

Fortgeschrittene Vorhersage in Polarregionen und darüber hinaus: Modellierung, Beobachtungssystem-Design und Verknüpfungen im Zusammenhang mit einem sich verändernden Arktisklima

APPLICATE ist ein 8 Millionen Euro teures Projekt, das im Rahmen des EU-Forschungs- und Innovationsprogramms HORIZON 2020 finanziert wird. Es umfasst 16 Partner aus neun Ländern (Belgien, Frankreich, Deutschland, Island, Norwegen, Russland, Spanien, Schweden und dem Vereinigten Königreich) und wird über einen Zeitraum von vier Jahren durchgeführt. Das multinationale und multidisziplinäre Konsortium wird daran arbeiten, die Wetter- und Klimavorhersagefähigkeiten nicht nur in der Arktis, sondern auch in Europa, Asien und Nordamerika zu verbessern. Ein Fokus auf die Arktis ist wichtig für verbesserte Vorhersagen von Wetter und Klima in den gemäßigten Breiten, da die durch den Klimawandel in der Arktis stattfindenden Veränderungen — wie das Zurückgehen des Meereises, die Erwärmung der Meere und der Atmosphäre — das Wetter und Klima in den gemäßigten Breiten beeinflussen können.

Luisa Cristini | Claudia Hinrichs | Thomas Jung | Sara Pasqualetto | Tido Semmler

„Prozesse und Auswirkungen des Klimawandels im Nordatlantik und der kanadischen Arktis“ hat zum Ziel, Doktorandinnen und Doktoranden in einem interdisziplinären Umfeld auszubilden, das die Stärken in der Meeresgeowissenschaften und Umweltphysik in Bremen mit ergänzenden Fähigkeiten und Expertise in der Modellierung von Meereis und Eisschilden in einem Konsortium von acht kanadischen Partneruniversitäten kombiniert. Das wissenschaftliche Team, mit den Doktorandinnen und Doktoranden im Zentrum, verfolgt das Ziel, das Verständnis für die Variabilität des Arktischen Ozeans und der Kryosphäre auf Zeiträumen von Jahrzehnten bis Jahrtausende voranzutreiben und diese Ergebnisse zu nutzen, um die Auswirkungen der prognostizierten zukünftigen Klimaveränderungen auf die Arktis robust zu bewerten.

Deniz Aydin | Yuqing Li|Martin Losch

Das eFlows4HPC-Projekt vereint 16 akademische und industrielle Organisationen aus ganz Europa. Das AWI arbeitet zusammen mit führenden europäischen HPC-Experten (High Performance Computing) daran, Klimasimulationen mit einem neuen Generation-Klimamodell benutzerfreundlicher und effizienter zu gestalten.

Ziel des Projekts ist es, eine innovative, HPC-basierte Workflow-Plattform zu entwickeln. Diese wird aus einem Software-Stack und einem zusätzlichen Satz von Dienstleistungen bestehen, die die Integration von HPC-Simulationen mit Big-Data-Analysen und maschinellem Lernen in wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen ermöglichen. Das AWI beteiligt sich an dem Projekt mit einem gekoppelten Modell, das aus dem unstrukturierten Mesh-Ozeanmodell FESOM2 (fesom.de) als Ozeanteil und OpenIFS (https://www.ecmwf.int/en/research/projects/openifs) als atmosphärischem Bestandteil besteht. Das gekoppelte Modell wird im Rahmen eines Klimamodellierungs-Anwendungsfalls in die Workflow-Plattform integriert.

Thomas Jung | Nikolay Koldunov

„Eddy-Eigenschaften und Auswirkungen im sich verändernden Arktischen Ozean“ (EPICA) ist ein vom BMBF gefördertes Projekt, das hochauflösende Modellierungen und Beobachtungen nutzt, um die Eigenschaften und Auswirkungen von (Sub-)Mesoskalen-Wirbelstrukturen im Arktischen Ozean zu verstehen, insbesondere während der MOSAiC-Phase im Vergleich zur Vergangenheit. Die Wechselwirkungen des Ozeans mit der Atmosphäre und dem Meereis sowie das Mischen und der Transport von Wassermassen im Ozean werden von zahlreichen turbulenten Prozessen im kleinen Maßstab bestimmt. Besonders Mesoskalen- und Submesoskalen-Wirbel sind wichtige Merkmale, die die Ozean-Hydrographie prägen und die Dynamik der Mischschicht beeinflussen. Ihre Eigenschaften und genauen Rollen im Arktischen Ozean sind jedoch noch nicht gut verstanden, was ernsthafte Auswirkungen auf unser Verständnis der Dynamik des Arktischen Ozeans und die Realitätsnähe von Wirbelparameterisierungen in Klimamodellen hat.

Das vorgeschlagene Projekt wird die hochauflösenden Modellierungsfähigkeiten des multi-resolution Finite volumE Sea ice-Ocean Model (FESOM) mit den einzigartigen, ganzjährigen Daten aus der MOSAiC-Kampagne kombinieren. Wir werden die Beobachtungsdaten mit den Modellresultaten synthetisieren, um Prozesse zu untersuchen, die Wirbel bilden, die Bedeutung der Wirbel für den Ozean, das Meereis und den Luft-Ozean-Austausch zu verstehen, die interne Ozean-Variabilität im Vergleich zur erzwungenen Variabilität zu schätzen und die Eddy-Diffusivität abzuleiten, die helfen kann, Wirbelparameterisierungen zu verbessern und somit die Genauigkeit von Klimamodellen zu steigern. Die Auflösung des globalen Modells wird auf 1 km für den gesamten Arktischen Ozean erhöht und weiter verfeinert, um subkilometrische Skalen an den MOSAiC-Standorten zu erreichen. Die jahrzehntelangen Ergebnisse des eddyauflösenden Modells für den Arktischen Ozean sowie die gut evaluierten und dokumentierten km-Skalierungsmodellkonfigurationen werden der breiten wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt, um das Verständnis, die Vorhersage und die Projektion des arktischen Klimas voranzutreiben. Im Rahmen dieses Projekts arbeiten wir mit der Abteilung für Physikalische Ozeanografie zusammen, die für die Analyse der damit verbundenen MOSAiC-Beobachtungen zuständig ist.

Qiang Wang | Benjamin Rabe | Ivan Kuznetsov | Dmitry Sein | Sergey Danilov | Thomas Jung | Nikolay Koldunov | Patrick Scholz | Dmitry Sidorenko | Claudia Wekerle

Erweiterte Kapazität der Erdmodellierung: Ein Beitrag zur Lösung großer Herausforderungen durch die Entwicklung und Anwendung innovativer Erdmodellierungskapazitäten

ESM ist ein 10 Millionen Euro schweres Projekt, das im April 2017 begonnen wurde und über einen Zeitraum von drei Jahren von der Helmholtz-Gemeinschaft finanziert wird. Das Projekt umfasst acht Helmholtz-Forschungszentren und hat zum Ziel, die Darstellung der Komponenten des Erdsystems und deren Kopplung zu verbessern sowie eine Reihe ausgewählter numerischer Experimente durchzuführen, um große Herausforderungen anzugehen (Frontier Simulations). Eine langfristige Strategie für die Entwicklung einer Erdmodellierungskapazität ist ebenfalls ein Ziel des Projekts.

Dirk Barbi | Luisa Cristini | Helge Goessling | Thomas Jung | Suvarchal Kumar Cheedela | Lars Nerger | Sara Pasqualetto | Thomas Rackow | Tido Semmler

„Frontiers in Arctic Marine Monitoring“

Unsere Fähigkeit, die komplexen Wechselwirkungen biologischer, chemischer, physikalischer und geologischer Prozesse im Ozean und an Land zu verstehen, ist immer noch durch das Fehlen integrierter und interdisziplinärer Beobachtungsinfrastrukturen begrenzt. Das Hauptziel der offenen Ozean-Infrastruktur FRAM ist eine permanente Präsenz auf See, von der Oberfläche bis in die Tiefe, um nahezu Echtzeitdaten zu den Dynamiken des Erdsystems, der Klimavariabilität und den Veränderungen der Ökosysteme bereitzustellen. Die Abteilung für Klimadynamik unterstützt das FRAM-Infrastrukturprogramm mit hochauflösenden Ozean- und Meereismodellen.

Vibe Schourup-Kristensen | Claudia Wekerle

ESM-TOOLS ist ein Softwareprodukt, das am AWI Bremerhaven im Rahmen des Helmholtz-Projekts ESM entwickelt und gepflegt wird. Ziel ist es, die Modellinfrastruktur zu vereinheitlichen und ein gemeinsames Framework zum Herunterladen, Kompilieren, Ausführen und Organisieren von gekoppelten oder eigenständigen Modellen bereitzustellen. ESM-TOOLS besteht aus drei Werkzeugen:

1. esm-master: Ein Makefile-basiertes Werkzeug zum Herunterladen, Konfigurieren und Kompilieren der Modelle.
2. esm-environment: Maschinenabhängige Einstellungen zum Kompilieren und Ausführen von Modellen, alle an einem Ort gesammelt.
3. esm-runscripts: Eine Sammlung von Funktionen, die es ermöglichen, kurze und prägnante Runscripts zu verwenden, die praktisch identisch sind, unabhängig von der Maschine oder dem Modell. Die zugrunde liegenden Funktionen organisieren das gesamte Experiment, einschließlich des Kopierens von Daten, der Modifikation von Namelisten, der Durchführung von Plausibilitätsprüfungen, iterativer Kopplung und vieles mehr.

Miguel Andrés-Martínez | Dirk Barbi | Luisa Cristini | Deniz Ural

Das Sea Ice Drift Forecast Experiment (SIDFEx) ist eine gemeinschaftliche Initiative zur Sammlung und Analyse von Vorhersagen der Drift von Meereis in der Arktis. Die Hauptziele sind die Weiterentwicklung der Fähigkeiten zur Eisdriftvorhersage und die Diagnose von Modellmängeln. Unter anderem lieferte SIDFEx Echtzeit-Vorhersagen der Drift für das MOSAiC-Zentralobservatorium und das verteilte Netzwerk, indem individuelle Vorhersagen von mehreren internationalen Vorhersagezentren und Forschungseinrichtungen zusammengeführt und optimiert wurden. Da SIDFEx jedoch größtenteils eine gemeinschaftliche Initiative ohne dedizierte Finanzierung ist, fehlen die Ressourcen, um die beispiellose Gelegenheit, die die SIDFEx-Daten in Kombination mit den zahlreichen MOSAiC-Beobachtungen bieten, zu nutzen, um Driftvorhersagen zu verbessern und Fehler der zugrunde liegenden Modelle zu diagnostizieren. SIDFExplore soll SIDFEx auf ein völlig neues Niveau heben, um bedeutende Fortschritte bei besseren arktischen Vorhersagen zu erzielen. Konkret wird SIDFExplore:

• Die Genauigkeit einzelner Driftvorhersagen in Bezug auf Metriken wie Entfernung, Geschwindigkeit, Winkel und Deformation evaluieren und diagnostizieren, wie die Genauigkeit von Parametern wie atmosphärischem Zustand, Eis- und Schneedicke sowie geografischer Region abhängt;
• Diese Ergebnisse weiterentwickeln, um Verbesserungen des Vorhersagesystems zu leiten, in enger Zusammenarbeit mit den externen Partnern, die Vorhersagen zu SIDFEx beisteuern;
• Neue Methoden optimieren, entwickeln und testen, einschließlich solcher, die auf maschinellem Lernen basieren, um eine „On-the-fly“-Kalibrierung durchzuführen und konsensbasierte Driftvorhersagen aus mehreren Modellen zu generieren;
• Langfristige Auswirkungen von SIDFEx sicherstellen, indem wissenschaftliche Arbeiten, Daten und Software veröffentlicht werden, eine mögliche Fortsetzung des SIDFEx-Systems über MOSAiC hinaus geplant wird und Wege untersucht werden, um Know-how in den Bereich der Such- und Rettungseinsätze (einschließlich offenen Gewässers) zu transferieren.

Mit dieser wissenschaftlichen Agenda und der breiten Teilnahme führender internationaler Wetter- und Klimamodellierungszentren ist SIDFExplore ideal positioniert, um MOSAiC-Beobachtungen zu nutzen, um Klimamodelle zu verbessern – ein zentrales und ursprüngliches Ziel von MOSAiC, wie es von der Atmosphärischen Arbeitsgruppe des Internationalen Arktischen Wissenschaftskomitees (IASC) formuliert wurde.

Helge Goessling | Lorenzo Zampieri

Die Variabilität der Ozeanmasse auf Zeiträumen von Monaten bis Jahrzehnten ist noch unzureichend verstanden. Auf diesen Zeiträumen sind großflächige Anomalien im Boden-Druck sowohl mit windbedingter Variabilität als auch mit baroklinen Prozessen verbunden, d. h. mit der vertikalen Scherung der Ozeandichte. Die GRACE-Mission hat eine entscheidende Rolle bei der Quantifizierung solcher Massenfluktuationen gespielt, jedoch ist ihre Lebensdauer begrenzt. Die breitere Bedeutung der nicht-tidalen Ozeanmasse-Variabilität für Geodäsie und Ozeanographie, also für das Verständnis des zeitlich variierenden Geoids, der Form der Erdkruste, des Massenmittelpunkts und der Erdrotation, ist jedoch offensichtlich. Ebenso können tiefen Ozeanprozesse nur dann richtig verstanden werden, wenn nicht nur die Meeresspiegelhöhe und die sterische Expansion des oberen Ozeans gemessen werden, sondern auch tiefen Ozeandruck-Anomalien berücksichtigt werden. Nur das Wissen um alle drei Größen ermöglicht Schätzungen zur Erwärmung des tiefen Ozeans und hilft, den Anstieg des Meeresspiegels besser zu verstehen und vorherzusagen. In „Consistent Ocean Mass Time Series from LEO Potential Field Missions (CONTIM)“ schlagen wir vor, Fachwissen in präziser Satellitenorbit-Bestimmung, Gravitätsfeld- und Massenmodellierung sowie physikalischer Ozeanographie zu kombinieren, um konsistente Zeitreihen der Ozeanmasse-Variationen aus einer Reihe von niedrig fliegenden Erdorbital-Satelliten, einschließlich GRACE, abzurufen, zu analysieren und zu verifizieren. Diese Informationen werden genutzt, um unser Verständnis der Ozeanbewegung, der Ozeanerwärmung und des Meeresspiegelanstiegs weiter zu vertiefen.

Alexey Androsov | Sergey Danilov | Jens Schröter

Nahtlose Vorhersage von Meereis

Die BMBF Young Investigator Group SSIP (2017–2022) arbeitet daran, die Meereisvorhersagekapazität auf Zeitskalen von Stunden bis Jahren und darüber hinaus zu verbessern. Zu diesem Zweck entwickelt und forscht SSIP mit einem nahtlosen Meereisvorhersagesystem, das auf dem kürzlich entwickelten AWI-Klimamodell basiert. Das unstrukturierte Gitter der Ozean/Meereis-Komponente dieses Modells (FESOM) ermöglicht eine hohe Auflösung in den Polarregionen (sowie anderen wichtigen Regionen) in einem globalen Setup, was eine nahtlose Anwendung des Vorhersagesystems auf eine Vielzahl von Zeitskalen ermöglicht. Die Gruppe wendet moderne Techniken an, um das Vorhersagemodell mit Hilfe von Fernerkundungs- und In-situ-Beobachtungen zu initialisieren; sie optimiert und entwickelt die Meereiskomponente des Vorhersagemodells weiter; und sie wendet das Vorhersagesystem an, um Forschungsfragen im Zusammenhang mit der Vorhersagbarkeit von Meereis, der Verifikation und der Auswirkung unterschiedlicher Beobachtungen auf die Meereisvorhersage zu adressieren.

Marylou Athanase | Helge Goessling | Svetlana Loza | Bimochan Niraula | Simon Reifenberg | Lorenzo Zampieri

Das Jahr der Polarvorhersage (YOPP) ist eine bedeutende internationale Initiative, die vom Weltmeteorologischen Organisationsprogramm für weltweite Wetterforschung (WWRP) als wesentlicher Bestandteil des Polarvorhersageprojekts (PPP) ins Leben gerufen wurde. YOPP findet von Mitte 2017 bis Mitte 2019 statt. Das übergeordnete Ziel ist es, unsere Fähigkeit zur Umweltvorhersage für die Polarregionen und darüber hinaus erheblich zu verbessern.

Als international koordinierte Phase intensiver Beobachtungs-, Modellierungs-, Vorhersage-, Verifikations-, Nutzerbeteiligungs- und Bildungsaktivitäten, die verschiedene Interessengruppen einbezieht, wird das Jahr der Polarvorhersage zur Wissensbasis beitragen, die notwendig ist, um die Chancen und Risiken des Klimawandels in der Arktis zu bewältigen.

Helge Goessling | Thomas Jung | Katharina Kirchhoff | Sara Pasqualetto | Felix Pithan | Kirstin Werner