Den „Baltic Earth Assessment Reports“ (https://baltic.earth/projects/bear) zufolge verändert sich das Klima im Ostseeraum und wird sich infolge anthropogener Treibhausgasemissionen auch weiterhin verändern. Das regionale Erdsystem wird jedoch auch von vielen anderen Faktoren beeinflusst, darunter Klimatreiber wie Aerosolemissionen, Sonnenaktivität und natürliche Klimaschwankungen sowie lokale menschliche Aktivitäten wie Landwirtschaft und Offshore-Windparks. Die Trennung dieser vielfältigen Ursachen und Auswirkungen ist eine Herausforderung, aber entscheidend für die Entwicklung zuverlässiger dekadischer Klimaprognosen und multidekadischer Projektionen des zukünftigen Zustands des Ökosystems (z. B. seiner Sauerstoffdynamik).

Regionale Erdsystemmodelle sind ein wichtiges Instrument für diese Aufgabe, da globale Klimamodelle mit einer Auflösung von 100 × 100 km² das regionale Klima von Küstenmeeren wie der Ostsee nicht abbilden können. Regionale gekoppelte Atmosphäre-Ozean-Land-Modelle mit einer Auflösung von wenigen km² ermöglichen eine genauere Darstellung von Parametern wie Wind, Lufttemperatur und Meersalzgehalt. Neben physikalischen Parametern können sie auch Veränderungen im Ökosystem modellieren.

Die Arbeitsgruppe „Dynamik regionaler Klimasysteme“ entwickelt und nutzt regionale Erdsystemmodelle, um langfristige Veränderungen im Ostseeraum zu untersuchen.

Die wichtigsten Forschungsthemen sind:

• Ermittlung vergangener Veränderungen im Erdsystem des Ostseeraums und Zuordnung zu anthropogenen Einflussfaktoren.
• Verständnis der internen Klimavariabilität auf Zeitskalen von Jahrzehnten bis Jahrtausende.
• Entwicklung eines regionalen gekoppelten Atmosphären-Ozean-Land-Modells, des IOW – Earth System Model (IOW-ESM).
• Entwicklung multidekadischer Zukunftsprojektionen und dekadischer Klimaprognosen
• Quantifizierung und Verständnis der Ursachen des regionalen Klimas, insbesondere der Veränderungen von Klimaextremen.

Langzeitveränderungen der Salzwassereinströme

Die Ostsee ist ein fast vollständig von Land umschlossenes Brackwassermeer mit hoher Süßwasserzufuhr (vor allem durch Flüsse) und Salzwasserzufuhr aus der Nordsee. Letztere ist stark eingeschränkt durch die schmalen und flachen dänischen Straßen, die die Ostsee mit der Nordsee verbinden. Da Salzwasser dichter ist als Süßwasser, bewegen sich Salzwassereinströme am Boden der Ostsee entlang. Sie sind nicht nur wichtig, um die Salzverteilung der Ostsee aufrechtzuerhalten, sondern versorgen die tiefen, schlecht belüfteten, Wasserschichten auch mit Sauerstoff. Die bisherige Einstromforschung hat sich vor allem auf die großen (und vergleichsweise leicht zu beobachtenden) „Major Baltic Inflows“, die vor allem im Winter stattfinden, konzentriert. Kleinere Salzwassereinströme können jedoch das ganze Jahr über auftreten und ebenfalls große Auswirkungen auf die tiefen Becken der Ostsee haben. In den letzten Jahrzehnten haben vor allem kleine bis mittelgroße Sommer- und Herbsteinströme für Aufsehen gesorgt, da sie ungewöhnlich hohe Temperaturen im Tiefenwasser der Ostsee verursachen.  
Für die unten aufgelisteten Studien haben wir umfassende Zeitreihen von kleinen bis zu großen und von Winter- bis zu Sommereinströmen gebildet, basierend auf ca. 150 Jahre langen regionalen Modellsimulationen (von 1850 bis 2008). Wir haben festgestellt, dass in diesem Zeitraum Wintereinströme weniger und Sommer- und Herbsteinströme mehr geworden sind. Damit verbunden sind ein starker Anstieg der Tiefenwassertemperaturen und infolgedessen verstärkte Sauerstoffarmut in der westlichen Ostsee. Was diese Verschiebung der Saisonalität verursacht hat, ist noch nicht ganz klar, aber vielversprechende Kandidaten sind Veränderungen in der Saisonalität der Süßwasserzufuhr sowie im Wind.

11-Jahres-Gleitmittelwerte des Salzeinfalls von Juni bis Oktober (JJASO) 
im Vergleich zum jährlichen Temperaturmaximum unterhalb der saisonalen 
Thermokline (unterhalb von 40 m) an der Station BY5 im Bornholmer Becken 
(entnommen aus Barghorn et al. 2023). 

11-Jahres-Gleitmittelwerte des Salzimports von Juni bis Oktober (JJASO) 
im Vergleich zum jährlichen Temperaturmaximum unterhalb der saisonalen 
Thermokline (unterhalb von 40 m) an der Station BY5 im Bornholmbecken 
(entnommen aus Barghorn et al. 2023).
Sauerstoffdynamik im Bornholmbecken unterhalb von 60 m vor, während und
nach dem warmen Salzwassereinstrom im Herbst 1997. Oberes Feld: Mittlere 
Temperatur und Sauerstoffgehalt. Das gelbe Feld zeigt den Pearson-
Korrelationskoeffizienten zwischen beiden Zeitreihen. Unteres Bild: 
Physikalische und biochemische Quellen (positive Werte) und 
Senken (negative Werte) für Sauerstoff in der Wassersäule sowie 
biochemische Quellen und Senken im Sediment 
(entnommen aus Barghorn et al. 2025a).

Literaturhinweise:

Barghorn, L., H. E. M. Meier, H. Radtke, T. Neumann and L. Naumov (2025). Warm saltwater inflows strengthen oxygen depletion in the western Baltic Sea. Clim. Dyn. 63: 29, doi: 10.1007/s00382-024-07501-x

Barghorn, L., H. E. M. Meier and H. Radtke (2023). Changes in seasonality of saltwater inflows caused exceptional warming trends in the western Baltic Sea. Geophys. Res. Lett. 50: e2023GL103853, doi: 10.1029/2023GL103853

Bei weiteren Fragen wenden Sie sich bitte an Dr. Leonie Barghorn.

Der Einfluss des Nordatlantiks auf die europäischen Meere in großen Klimamodellensembles

Der europäische Kontinent und seine Randmeere (darunter die Ostsee) werden von großskaligen atmosphärischen und ozeanischen Klimamoden über und im Atlantik beeinflusst. Beispielsweise sind die Meeresoberflächentemperaturen (SST) der Ostsee auf multidekadischen Zeitskalen mit der durchschnittlichen SST des Nordatlantiks korreliert. Die exakten physikalischen Mechanismen dahinter sind jedoch schwer zu erfassen, was auch damit zusammenhängt, dass beide SST-Zeitreihen sich aus verschiedenen Anteilen zusammensetzen: Die Antwort auf natürliche und anthropogene externe Antriebe (wie Treibhausgase oder Aerosole) sowie interne Variabilität, die ohne jegliches Zutun von außen allein durch die chaotische Natur des Klimasystems entsteht. Diese beiden Anteile lassen sich mithilfe von sogenannten Single Model Initial-condition Large Ensembles (SMILEs) trennen. SMILEs enthalten eine hohe Anzahl (~30-100) von Simulationen mit dem gleichen Klimamodell und gleichen externen Antrieben, aber unterschiedlichen Anfangsbedingungen. Folglich zeigen die Modellläufe die gleiche Antwort auf externe Antriebe, bilden aber alle eine individuelle interne Variabilität aus.

In der unten gelisteten Studie haben wir zwei SMILEs aus dem Model Intercomparison Project Phase 6 verwendet, um die Verbindungen zwischen den europäischen Randmeeren und dem Nordatlantik in der Vergangenheit und in möglichen Klimawandelszenarien zu untersuchen. Wir haben festgestellt, dass die extern angetriebenen SST-Anteile der europäischen Meere und des Nordatlantiks stark korreliert sind. Im Gegensatz dazu ist der sichtbare Effekt der internen Variabilität im Nordatlantik auf die Nordsee und das westliche Mittelmeer beschränkt, wohingegen die Ostseetemperatur stärker von der dominanten atmosphärischen Klimamode über dem Nordatlantik beeinflusst wird. Diese grundsätzlichen Verbindungen werden in Zukunft unabhängig vom Voranschreiten des Klimawandels weiterbestehen.

Kreuzkorrelationen der internen atlantischen SST-Variabilität (iAMV) mit der 
internen Ostsee-SST (graue Linien; schwarze Linien bezeichnen die Ensemble-Mittelwerte) 
sowie der extern angetriebenen Variabilität der atlantischen SST (fAMV) mit der 
angetriebenen Ostsee-SST (rote Linien) für den historischen Zeitraum (1880–2020) und 
die Shared Socioeconomic Pathway-Szenarien (1950–2090) im MPI-ESM-Ensemble. 
Positive Zeitversatze weisen auf eine vorlaufende lokale Meeresoberflächentemperatur 
hin, negative Zeitversatze auf vorlaufende AMVs. Die interne Meeresoberflächentemperatur 
der Ostsee eilt der iAMV um 7 Jahre voraus, da hohe Temperaturen in der Ostsee durch 
eine positive Phase der Nordatlantischen Oszillation angetrieben werden, die auch 
positive AMV-Phasen antreibt, allerdings mit einer zeitlichen Verzögerung von einigen 
Jahren (modifiziert nach Barghorn et al. 2025b).

Literaturhinweise:

Barghorn, L., F. Börgel, M. Gröger and H. E. M. Meier (2025). Atlantic multidecadal variability control on European sea surface temperatures is mainly externally forced. Environ. Res. Lett. 20: 034044, doi: 10.1088/1748-9326/adb6bf

Bei weiteren Fragen wenden Sie sich bitte an Dr. Leonie Barghorn.

Untersuchung des Potenzials für dekadische Klimaprognosen in der Ostsee

Ist es möglich, Salzgehalt, Wassertemperatur oder Eisbedeckung der Ostsee auf dekadischen Zeitskalen vorherzusagen?

Zur Beantwortung dieser Forschungsfrage wurde ein Ensemble von 10-jährigen Ostsee-Modellsimulationen unter Verwendung des Ozeanzirkulationsmodells MOM6 durchgeführt, wobei verschiedene Anfangsfelder und unterschiedliche Antriebe aus einem Referenzlauf für den Zeitraum 1948–2019 kombiniert wurden. Verschiedene auf das gesamte Ensemble angewendete Subsampling-Strategien wurden getestet, um die Vorhersagbarkeit des Referenzlaufes mit dem Ensemble-Mittelwert der gesubsampelten Ensemble-Mitglieder zu optimieren. Die Idee bestand darin, sowohl das durch die Anfangsbedingungen vermittelte Gedächtnis als auch das Potenzial ausgewählter Klimamuster zukünftiger atmosphärischer Antriebe zu nutzen, um Wassertemperatur, Salinität und Meereisbedeckung für das folgende Jahrzehnt vorherzusagen. Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial der Ostsee für Temperaturvorhersagen in den Jahren 1 und 2 sowie für Salinitätsvorhersagen auf dekadischen Zeitskalen.

Literaturhinweise:

Wolff, M. (2025) Das Potenzial der Ostsee für saisonale bis dekadische (S2D) Vorhersagbarkeit. Masterarbeit, Universität Rostock, 21.10.2025, https://doi.org/10.18453/rosdok_id00005038

Bei weiteren Fragen wenden Sie sich bitte an Marti Wolff, MSc.

Die zunehmende Häufigkeit von marinen Hitzewellen trug zu einem Anstieg des Auftretens von Sauerstoffmangel am Meeresboden in Küstengebieten bei

Die Analyse von Reanalyse-Daten der Ostsee zeigt, dass seit den 1990er Jahren marine Hitzewellen (MHWs), definiert durch einen Schwellenwert von 20 °C, über die gesamte Oberfläche der Ostsee auftraten. Besonders betroffen waren demnach die Küstengebiete der südlichen und östlichen Ostsee. Am Meeresboden wurden MHWs, hier definiert durch einen Schwellenwert von 17 °C, in küstennahen Gebieten bis in eine Tiefe von 20 m festgestellt. Darüber hinaus zeigen die Daten eine statistisch signifikante Korrelation zwischen MHWs am Meeresboden und Ereignissen mit verminderter Sauerstoffkonzentration. Die Hitzewellen können den Sauerstoffgehalt am Boden um bis zu 1,7 mL L⁻¹ senken und damit das Risiko der Unterschreitung kritischer Sauerstoffdefizite erheblich erhöhen.

Literaturhinweise:

Safonova, K., Meier, H.E.M. & Gröger, M. (2024). Summer heatwaves on the Baltic Sea seabed contribute to oxygen deficiency in shallow areas. Commun Earth Environ 5, 106, https://doi.org/10.1038/s43247-024-01268-z

Bei weiteren Fragen wenden Sie sich bitte an Kseniia Safonova, MSc.

Wie sich Meereshitzewellen und der Klimawandel auf die Lebensräume des Herings in der westlichen Ostsee auswirken

Die Heringspopulation in der westlichen Ostsee ist einer der wirtschaftlich wichtigsten Fischbestände der Ostsee. Der Bestand verzeichnete im Laufe der vergangenen Jahrzehnte einen dramatischen Rückgang, wodurch die Heringsfänge in den letzten Jahren von fast 200.000 t auf rund 25.000 t sanken. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass neben der anhaltend hohen intensiven industriellen Befischung auch der Klimawandel – genauer gesagt die ungewöhnlich warmen Winter – zu diesem Rückgang beigetragen hat. Jüngste Felduntersuchungen in der Greifswalder Bucht, einem der wichtigsten Laichgebiete für Hering, zeigten einen eindeutigen statistischen Zusammenhang zwischen der Winterdauer – definiert als der Zeitraum, in dem die Wassertemperatur in flachen Gewässern unter 3,5 °C bleibt – und der Hering-Rekrutierung.

Folglich spielt der Zeitpunkt des Winterbeginns im Herbst und des Winterendes im Frühjahr eine wesentliche Rolle für den Fortpflanzungserfolg des Herings. Anhand von Projektionen zum Meeresklima wurde daraufhin untersucht, wie der Klimawandel unter der Annahme verschiedener Klimaziele aus dem Pariser Abkommen der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen (UNFCCC) von 2015 die Wintercharakteristika in Zukunft verändern wird.

Demnach wird die Winterdauer an immer mehr Laichplätzen sukzessive abnehmen, und im schlimmsten Fall werden keine für eine erfolgreiche Fortpflanzung geeigneten Winter mehr auftreten. In einer Welt, die im Vergleich zum vorindustriellen Zustand um 4 °C wärmer ist, könnten bis zu 60 % der lokalen Wintervorkommen verschwinden. Klimaszenarien, die mit dem Pariser Abkommen von 2015 zur Begrenzung der globalen Erwärmung auf unter 2,0 °C oder sogar 1,5 °C im Einklang stehen, werden die Auswirkungen auf das Winterklima jedoch erheblich abmildern.

(Quelle: Gröger et al. 2024, Science of Total Environment)

Literaturhinweise:

Gröger, M., F. Börgel, S. Karsten, H. E. M. Meier, K. Safonova, C. Dutheil, A. Receveur and P. Polte (2024). Future climate change and marine heatwaves - Projected impact on key habitats for herring reproduction. Sci. Total Environ. 951: 175756, doi: 10.1016/j.scitotenv.2024.175756.

Bei weiteren Fragen wenden Sie sich bitte an Dr. Matthias Gröger.

Kalibrierung von Klimamodellen

Eine der zentralen Fragen in der Wissenschaft ist die Abschätzung von Unsicherheiten im Zusammenhang mit unseren Methoden und Werkzeugen. Diese Frage ist besonders relevant für regionale Klimamodelle, da diese als Grundlage für reale Entscheidungen dienen, die Auswirkungen auf ganze Gemeinden, Länder oder sogar Kontinente haben. Daher legen wir besonderen Wert auf die Kalibrierung des IOW-Erdsystemmodells, um ein bestmögliches Verständnis und bestmögliche Schätzungen der lokalen Folgen eines sich global verändernden Klimas zu liefern. Insbesondere behandeln wir Modellergebnisse als synthetische Messungen des Erdsystems und vergleichen diese mit den kontinuierlichen Messungen unserer Kollegen im Ostseeraum. Systematische Fehler werden dann durch objektive Kalibrierungsverfahren minimiert. Entsprechend dem aktuellen Stand der Technik bei der Feinabstimmung von Klimamodellen nutzen wir die Technik der „Perturbed Physics Ensembles“ und erstellen Ersatzmodelle, um die Sensitivität des Modells gegenüber Parameteränderungen darzustellen. Mit verschiedenen Strategien für solche Ersatzmodelle, darunter quadratische Inversionen, polyharmonische Spline-Inversionen und Gauß-Prozess-Regression, ermitteln wir die besten Schätzungen für die Modelleinstellungen. Darüber hinaus liefert die Technik des „History Matching“ Schätzungen für die Empfindlichkeiten der Modellparameter und dafür, wie sich diese in Unsicherheiten der Modellergebnisse niederschlagen.

Bias der 2-Meter-Temperatur des Atmosphärenmodells CCLM über der Ostsee vor 
(obere Reihe) und nach der objektiven Kalibrierung (untere Reihe).

Bei weiteren Fragen wenden Sie sich bitte an Dr. Georg Sebastian Völker.

Multidekadische regionale Klimaprognosen und natürliche Variabilität

Es wurde ein Ensemble aus 48 Szenariosimulationen unter Verwendung eines regionalen Erdsystemmodells durchgeführt, um unter anderem zu untersuchen, ob der Klimawandel die Hypoxie in der Ostsee verschärfen wird und ob Strategien zur Reduzierung der Nährstoffbelastung diesem Szenario entgegenwirken könnten. Die Projektionen berücksichtigen verschiedene Randbedingungen für den globalen Meeresspiegelanstieg und wurden zur Bewertung von Unsicherheitsquellen herangezogen (Meier et al., 2021). Die Ergebnisse zeigten, dass natürliche Variabilität und Modellunterschiede große Unsicherheitsquellen darstellen, die eine frühzeitige Erkennung von Veränderungen verhindern, die durch die globale Erwärmung und die Reduzierung der Nährstoffbelastung verursacht werden. Aufgrund von Unterschieden in den Annahmen, die bei der Konzeption der Szenariosimulationen getroffen wurden, unterscheidet sich das untersuchte Ensemble von früheren Szenariosimulationen (Meier et al., 2022).

So wurde beispielsweise der globale Meeresspiegelanstieg in früheren Simulationen nicht explizit berücksichtigt. Dennoch deuten alle Modellsimulationen darauf hin, dass auch im zukünftigen Klima durch weitere Reduzierungen der Nährstoffbelastung in Kombination mit bestehenden Maßnahmen eine signifikante Verringerung der Hypoxie erreicht werden kann.

Um die Ursachen der ausgeprägten multidekadischen Schwankungen des Salzgehalts der Ostsee zu verstehen, wurden Sensitivitätsexperimente für das historische Klima durchgeführt (Meier et al., 2023). Die Modellergebnisse zeigen einen internen Rückkopplungsmechanismus, der Schwankungen des Salzgehalts mit Perioden von etwa 30 Jahren verstärkt. Jahrzehnte mit höheren Niederschlagsmengen im Einzugsgebiet und folglich einem größeren Süßwasserzufluss über die Flüsse senken den Salzgehalt in der Ostsee und damit auch in den dänischen Meeren, was bedeutet, dass das einströmende Salzwasser im Durchschnitt einen geringeren Salzgehalt aufweist.

Mittlerer Salzgehalt der Ostsee. Tiefpassgefilterter, räumlich gemittelter Salzgehalt 
mit einer Grenzperiode von 12 Jahren in fünf numerischen Experimenten: die 
Referenzsimulation (REF+, schwarze Linie), die Referenzsimulation ohne Meeresspiegelanstieg 
(REF, schwarze gestrichelte Linie) sowie die Sensitivitätsexperimente mit klimatologischem 
mittlerem Flussabfluss und konstantem Netto-Niederschlag mit (RUNOFF+, rote Linie) und ohne 
(RUNOFF, rote gestrichelte Linie) Meeresspiegelanstieg sowie mit konstantem Wind ab 1904 
(WIND, cyanfarbene Linie). (Quelle: Meier et al., 2023)

Literaturhinweise:

Meier, H. E. M., C. Dieterich, and M. Gröger (2021). Natural variability is a large source of uncertainty in future projections of hypoxia in the Baltic Sea. Commun. Earth Environ. 2, 50, https://doi.org/10.1038/s43247-021-00115-9

Meier, H. E. M., C. Dieterich, M. Gröger, C. Dutheil, F. Börgel, K. Safonova, O. B. Christensen, and E. Kjellström (2022). Oceanographic regional climate projections for the Baltic Sea until 2100. Earth Syst. Dynam., 13, 159–199, https://doi.org/10.5194/esd-13-159-2022

Meier, H. E. M., L. Barghorn, F. Börgel, M. Gröger, L. Naumov, and H. Radtke (2023). Multidecadal climate variability dominated past trends in the water balance of the Baltic Sea watershed. npj Climate and Atmospheric Science 6:58, https://doi.org/10.1038/s41612-023-00380-9

Bei weiteren Fragen wenden Sie sich bitte an Prof. Dr. Markus Meier.