Forschungsgruppe Biogeochemische Vorhersagen

Gruppenleiterin

MPI für Marine Mikrobiologie
Celsiusstr. 1
D-28359 Bremen

Raum:	2125
Telefon:	+49 421 2028-7010

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Die Forschungsgruppe Biogeochemische Vorhersagen untersucht, wie sich der globale Kohlenstoffkreislauf sowie ökosystemrelevante Stressfaktoren und Extremereignisse im Ozean über verschiedene Zeitskalen hinweg entwickeln – von kurzfristigen Schwankungen bis hin zum langfristigen Klimawandel. Der Kohlenstoffkreislauf spielt eine zentrale Rolle im System Erde, da er die physikalische Klimadynamik mit biogeochemischen Prozessen verbindet, die Anreicherung von CO₂ in der Atmosphäre bestimmt und Klimarisiken sowie Maßnahmen zur Eindämmung des Klimawandels beeinflusst.

Eine zentrale wissenschaftliche Herausforderung besteht darin, zu verstehen, was natürliche und menschgemachte Klimaschwankungen für die biogeochemische Zusammensetzung der Ozeane und das ganze Ökosystemen bedeuten. Die Wechselwirkungen zwischen diesen Faktoren beeinflussen die Fähigkeit der Ozeane, Kohlenstoff zu binden, und mit den Belastungen durch Erwärmung, Versauerung und Sauerstoffverlust umzugehen.

Mithilfe von Erdsystemmodellen und KI-/ML-Ansätzen, die Beobachtungsdaten einbeziehen, untersuchen wir, wie sich biogeochemische Veränderungen im Meer in Ökosystemstress und Klimarückkopplungen niederschlagen. Unsere Vision ist es, ein interdisziplinäres Forschungsprogramm aufzubauen, das das Verständnis der Prozesse mit einem besonderen Fokus auf die Zusammenhänge zwischen mikrobiellen Mechanismen und großräumigen Schwankungen, Vorhersagen und Projektionen des Erdsystems verbindet.

Die abgebildete Zeitreihe der CO₂-Anstiegsrate in der Atmosphäre zeigt Jahresmittelwerte aus Modellsimulationen, die zusammen mit Beobachtungsdaten dargestellt sind. Wir führen drei Simulationsreihen durch (in der Reihenfolge von links nach rechts): (a) nicht initialisierte „freie“ Simulationen, die den sich frei entwickelnden historischen Simulationen des Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) entsprechen, (b) eine Assimilationssimulation zur Rekonstruktion der Entwicklung des Klimas und des Kohlenstoffkreislaufs in Richtung der realen Welt, indem das Modell während seiner Integration anhand von Beobachtungs- und Reanalyse-Daten angepasst wird, und (c) initialisierte Vorhersagen, die von den durch die Assimilationssimulation erzeugten Rekonstruktionszuständen ausgehen und über einen Zeitraum von 5 Jahren frei integriert werden (d. h. ohne Anpassung an Beobachtungsdaten). Die Zeitreihe in (a) zeigt, dass die nicht initialisierten Simulationen den langfristigen Trend gut wiedergeben, die jährlichen Schwankungen jedoch nicht mit den Beobachtungen übereinstimmen. Die Zeitreihe in (b) zeigt, dass die Assimilationssimulation die Schwankungen in der nicht initialisierten, frei laufenden Simulation in Richtung der realen Welt lenkt und zu einer Rekonstruktion führt, die näher an den Beobachtungen liegt. Panel (c) zeigt die Rekonstruktion zusammen mit den 5-jährigen initialisierten retrospektiven Vorhersagen.
Quelle: Li et al. (2023), Reconstructions and predictions of the global carbon budget with an emission-driven Earth system model, CC BY 4.0

Diese Visualisierung zeigt eine auf einem fortschrittlichen Erdsystemmodell (ESM) basierende Vorhersage, wie sich der Anstieg der atmosphärischen CO₂-Konzentration und die CO₂-Flüsse an der Erdoberfläche für die vergangenen Jahrzehnte rückblickend berechnen lassen und wie sie für dieses Jahr prognostiziert werden. Solche auf ESM basierenden Vorhersagesysteme, die eine prognostische Berechnung des atmosphärischen CO₂ durchführen und Beobachtungsdaten einbeziehen, ermöglichen es uns, vorherzusagen, ob sich – unter Berücksichtigung von Klimaschwankungen und Kohlenstoff-Klima-Rückkopplungen – das atmosphärische CO₂ und die CO₂-Flüsse an der Erdoberfläche schneller oder langsamer verändern werden, als allein aufgrund von Veränderungen der Kohlenstoffemissionen zu erwarten wäre.