Submesoskalige Dynamik
Preparing the Towed Instrument Chain (TIC) at the speedboat EDDY

Während der Expedition Uhrwerk Ozean: Wissenschaftler im Einsatz. -Bild:HZG-

Forschungsschwerpunkte & Projekte

Forschungsschwerpunkte


Der Begriff "Submesoskala" bezieht sich auf Ozeanwirbel, -fronten und -filamente mit Größen zwischen 10 m und 10 km. Submesoskalige Merkmale wurden in der letzten Zeit intensiven Studien unterzogen, da sie für viele Prozesse, wie den Meeresenergietransfer, den vertikalen Transport und die Primärproduktion, sehr wichtig sind.

Um submesoskalige Merkmale zu erkennen und zu beobachten, ist es notwendig, diese Muster an der Meeresoberfläche und im Inneren des Ozeans mit räumlichen und zeitlichen Auflösungen von wenigen Metern und wenigen Minuten gleichzeitig aufzulösen.

Integrated observation system for submesoscale eddies and fronts

Schematische Darstellung der Expedition Uhrwerk Ozean. -Bild:HZG-

Aufwändige Experimente wurden 2014 vor der Küste Südkaliforniens (SubEx II) und 2016 in der Südlichen Ostsee (Expedition Uhrwerk Ozena) durchgeführt.
Submesoskalige Merkmale wurden mit extrem hoher Auflösung unter Verwendung verschiedener Fernerkundungs- und In-situ-Sensoren auf Luft- und Schiffsplattformen beobachtet.
Ein Zeppelin wurde mit einer Infrarotkamera und einem Hyperspektralsensor für hochauflösende luftgestützte Daten ausgestattet, um die Dynamik und die physikalisch-biologische Kopplung der Merkmale zu beobachten.

Experiment Clockwork Ocean speedboat EDDY

Schnellboot Eddy im Einsatz. -Bild: HZG-

Die Forschungsschiffe Ludwig Prandtl (HZG), Elisabeth Mann Borgese (IOW) und Schnellboot Eddy (HZG) sowie Unterwasserglider, autonome Roboter und Drifter wurden für In-situ-Beobachtungen verwendet.
Eddy und Ludwig Prandtl dienten als Plattform für eine gezogene Instrumentenkette (TIC), die am HZG für simultane Messungen in mehreren Tiefen mit hoher Geschwindigkeit entwickelt wurde.
Gegenwärtig können bis zu zwanzig CTDs (mit Chlorophyll- oder Sauerstoffsensoren) eingesetzt werden. Sie decken die oberen 45 m der Wassersäule ab und können mit Geschwindigkeiten von bis zu 10 Knoten geschleppt werden.

Experiment Clockwork Ocean CTD attached at the towed instrument chain used at speedboat EDDY

Vorbereiten der Schleppkette auf dem Schnellboot Eddy -Bild: HZG-

Sie ist ausgestattet mit bis zu 20 CTDs (mit Chlorophyll- oder Sauerstoffsensoren) und speichert ihre Daten zeitgleich in verschiedenen Wassertiefen.

Die Beobachtungsdaten werden verwendet, um im submesoskaligen Bereich die Prozesse des Energiezerfalls zu bestimmen. Darüber hinaus wird untersucht, wie diese submesoskalige Prozesse das Phytoplanktonwachstum beieinflussen, beispielsweise durch den Transport von Nährstoffen in der Wassersäule.

Expedition Uhrwerk Ozean
Mesoscale environment for high-resolution modeling of submesoscale turbulence

-Bild:HZG-

Zur weiteren Interpretation der submesoskaligen Messungen werden hochauflösende numerische Modelle verwendet. Gegenwärtig wird das regionale Ozeanmodellierungssystem (ROMS) in einem mehrfach offline geschachtelten Modus auf den Bereich der Beobachtungen angewendet.

Die erste Stufe ist in ein vorhandenes Betriebsmodell eingebettet, und seine Aufgabe besteht darin, die größere mesoskalige Umgebung zu simulieren. Ein weiteres Downscaling wird durch eine zweite Stufe erreicht, welche die Erzeugung von untermesoskaligen Mustern auf horizontalen Skalen von weniger als 1 km ermöglicht. Animation 1 zeigt die Evolution der Meeresoberflächentemperatur in einer Subregion der südlichen Ostsee während des Experiments Uhrwerk Ozean Ende Juni 2016. Eine detaillierte Ansicht der Entstehung und des Zerfalls eines submesoskaligen Wirbels wird in Animation 2 über die Darstellung der Dichteanomalie an der Wasseroberfläche (im gestrichelten Rechteck) gezeigt.

Animation 1: Hochaufgelöste Modellierung der Temperatur des Oberflächenwassers in der südlichen Ostsee


Animation 2: Hochaufgelöste Modellierung der Dichte des Oberflächenwassers in der südlichen Ostsee


-beide Animation:HZG-

Einsatz ScanFish auf den Forschungsschiff Ludwig Prandtl

Einsatz des ScanFish auf dem Forschungsschiff Ludwig Prandtl. -Bild:HZG-

Im Rahmen von COSYNA bieten Fahrten von Forschungsschiffen über die Deutsche Bucht einen quasi synoptischen Überblick über die Deutsche Bucht drei bis vier Mal im Jahr. Das geschleppte wellenförmige Messsystem Scanfish™ MK II (EIVA) sammelt mit einem wellenförmigen Fahrprofil hochaufgelöste vertikale und horizontale Profildaten der Wassersäule, um die regulären COSYNA In-situ- und Fernerkundungsdaten der Meeresoberfläche zu ergänzen. Der Scanfish™ ist mit CTD-Sensoren und optischen Geräten ausgestattet, um die Verteilung und Konzentration von Phytoplankton und Schwebstoffen zu untersuchen. Ziel ist das Verständnis der Position des Chlorophyll-Maximums in der Deutschen Bucht oder die Relevanz der vertikalen Dichteverteilungen für die Datenassimilation in regionalen operationellen Beobachtungssystemen.

Übersicht der Scanfish-Daten während der Schiffsreisen (Link über Beobachtungen - COSYNA)

Projekte


Forschungsschiff "Ludwig Prandtl"

Das Forschungsschiff Ludwig Prandtl auf Forschungsfahrt in der Nordsee. -Bild: HZG-

COSYNA (Küstenbeobachtungssystem für nördliche und arktische Meere) ist ein integriertes Beobachtungssystem, das eine systematische und kontinuierliche Beobachtung der Küstengewässer der Nordsee und der Arktis ermöglicht. Computermodelle, die Küstenprozesse simulieren, können anhand der gesammelten Daten gemessen und verbessert werden. Ziel ist es, die aktuellen Umweltbedingungen zu beschreiben und kurzfristige Vorhersagen zu treffen.

Die verarbeiteten Daten werden von staatlichen Stellen, dem kommerziellen Sektor und der Öffentlichkeit genutzt, um Routineaufgaben besser zu planen. Die Daten können auch in Ausnahmesituationen helfen, so dass Verunreinigungen, Ölverschmutzungen oder giftige Algenblüten besser behandelt werden können.

COSYNA entwickelt und verbessert auch wissenschaftliche Produkte wie die aktuellen Nordsee-Karten. Darüber hinaus werden verschiedene Instrumente und Plattformen genutzt, entwickelt und optimiert.

COSYNA
Towed instrument chain measurements at wind farm DanTysk

Messung mit der Schleppkette im Nordsee-Windpark Dan Tysk. -Bild: HZG-

Da der fortschreitende Ausbau von Offshore-Windparks erheblichen Einfluss auf die Meeresumwelt haben kann, stehen diese im Fokus wissenschaftlicher Untersuchungen. Das COSYNA-System wird in diesen Studien mit seinen umfassenden Beobachtungsmöglichkeiten einschließlich Radar, Bojen und Satelliten eingesetzt.

Die Beobachtungen umfassen Schichtung, Seegang und Wellen in der Nähe dieser Windparks. Die Daten werden in die COSYNA-Computermodelle eingespeist.

Weitere Informationen finden Sie hier.