Arbeitspaket 4 - Numerische Modellierung

Forschungsziel: Wesentliche Umwandlungsprozesse in flachen Küstengewässern werden in aktuellen Ostseemodellen nicht aufgelöst; auch der Transport in die zentrale Ostsee wird nicht ausreichend abgebildet. Dies betrifft Wellen, Strömungen und Sedimentdynamik sowie deren Wechselwirkungen mit der Biogeochemie. Ziel von AP4 ist es, Parametrisierungen für die Dynamik der Küstenzone zu entwickeln oder zu verbessern. Dazu gehören:

• Konsistente Kopplung von Wellen, Strömungen, Turbulenz und Sedimentdynamik zur Abbildung der Effekte von Oberflächenwellen im Flachwasser
• Aufbau eines gekoppelten pelagisch-benthischen biogeochemischen Modells für flache Küstengewässer zur quantitativen Abbildung der Küstenfilterfunktion
• Prozessauflösende Szenariosimulationen
• Entwicklung eines Hindcast-Systems mit geringer zeitlicher Verzögerung und räumlicher Auflösung der Küstenzone

 

Beispiel Projekte

Auftrieb sauerstoffarmen Wassers: Im September 2025 führte der Auftrieb sauerstoffarmen Wassers an Teilen der deutschen Ostseeküste zu einem Fischsterben unmittelbar vor Warnemünde. Ein solches Ereignis konnte erstmals mit der neu entwickelten S2B-Verankerung in hoher Qualität messtechnisch erfasst werden. Um die Ursachen und Voraussetzungen dieses Ereignisses zu untersuchen, kombinieren wir diesen bislang einzigartigen Datensatz mit einem numerischen Modell.

Q10 (Temperaturabhängigkeit): Mit dem gekoppelten physikalisch-biogeochemischen Modell MOM-ERGOM untersuchen wir, wie temperaturabhängige Prozesse im Sediment und in der Wassersäule den Nährstoffkreislauf in neun Ostseebecken beeinflussen. Dazu haben wir Sensitivitätsexperimente durchgeführt, in denen die Q10-Werte entweder in der gesamten Ostsee oder gezielt in den Küstenzonen erhöht wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits eine moderate Verstärkung der Remineralisierung von Detritus überproportionale, nichtlineare Veränderungen im Stickstoff- und Phosphorkreislauf tiefer Becken bewirkt. Die Reaktionen unterscheiden sich deutlich zwischen den Becken: In anoxischen Regionen treten eine ausgeprägte Ammoniumanreicherung und Nitratverarmung auf, was auf eine verstärkte Denitrifikation im Verhältnis zur Nitrifikation unter wärmeren Bedingungen hindeutet.

Modellierung in nahezu Echtzeit: Wir betreiben ein Küstenozean-Modellsystem für die südwestliche Ostsee auf Basis des hydrodynamischen Modells GETM, das täglich den jüngsten Zustand des Systems rekonstruiert. Der automatisierte Ablauf liefert einen hochauflösenden deterministischen Hindcast (200 m) sowie ein Ensemble geringer aufgelöster Simulationen (600 m) zur Quantifizierung von Unsicherheiten. Die Modellergebnisse umfassen Wasserstand, Temperatur, Salzgehalt und biogeochemische Größen wie Sauerstoffkonzentration und -sättigung. Derzeit dient das System als Machbarkeitsnachweis und Grundlage für weitere Anwendungen, darunter Ökosystemanalysen, die frühzeitige Erkennung von Ereignissen und die mögliche Unterstützung bei der Planung von Forschungsfahrten.

ROBOELF: Wir entwickeln roboelf, ein GPU-beschleunigtes Modellierungsframework für marine Biogeochemie, das sich besonders für die Flachwasserforschung eignet. Durch ein hybrides Lagrange-Euler-Advektionsverfahren vermeidet das Modell die sehr kurzen Zeitschritte, die bei hoher räumlicher Auflösung üblicherweise erforderlich sind. Dadurch werden hochauflösende Simulationen von Küstengewässern und Ästuaren deutlich effizienter. Da roboelf auf einer einzelnen handelsüblichen GPU statt auf einem Supercomputer läuft, ist es für eine wesentlich breitere Forschungsgemeinschaft zugänglich. Damit möchten wir die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Meeresforschenden, Ökologinnen und Ökologen sowie Fachleuten im Umweltmanagement erleichtern, um gemeinsam drängende Fragen zu Flachwasserökosystemen zu untersuchen.