Unsere Arbeitsgruppe

Die Arbeitsgruppe „Biogeochemische Modellierung“ betreibt Grundlagenforschung und angewandte Forschung mithilfe unseres marinen Biogeochemiemodells ERGOM. Das Modell wurde ursprünglich am IOW von Dr. Thomas Neumann entwickelt und wird inzwischen von mehreren Forschungsgruppen im Ostseeraum genutzt. Details zu den Forschungsthemen unserer Gruppe finden Sie unten. Da unsere Forschung stark interdisziplinär ist, arbeiten wir eng mit Arbeitsgruppen anderer Abteilungen am IOW zusammen.

Grundlagenforschung

Benthisch-pelagische Kopplung

Sedimentäre biogeochemische Prozesse sind entscheidend sowohl für die Regeneration von Nährstoffen als auch für ihre Entfernung aus dem Ökosystem. Sie haben großen Einfluss auf die Wasserqualität und die Sauerstoffdynamik in Küstenökosystemen. Benthisch-pelagische Modellierung hilft, die Prozesse, die den Stoffaustausch zwischen Sediment und darüberliegendem Wasser steuern, besser einzugrenzen und die zugrunde liegende Dynamik als Reaktion auf veränderliche äußere Einflüsse (z. B. Nährstoffeintrag, Klimaerwärmung) zu erklären.
Anthropogene Störungen wie Grundschleppnetzfischerei werden hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Sedimentstruktur, Kohlenstoffspeicherung und biogeochemische Kreisläufe untersucht, sowie darauf, wie diese Veränderungen sich auf Prozesse in der Wassersäule auswirken. Die Rekonstruktion vergangener Umweltbedingungen, darunter hypoxische Ereignisse während der mittelalterlichen Warmzeit, helfen dabei, die natürliche Variabilität und langfristige Sensitivität mariner Systeme gegenüber Klimaeinflüssen besser zu verstehen.

Interdisziplinäre Kooperation am IOW: Geochemie und Isotopen-Biogeochemie (GEO), Marine Geophysik (GEO), Ökologie benthischer Organismen (BIO)

Kopplung Küstenzone – Offenes Meer

Flache Küstenmeere sind hochdynamische Regionen, in denen physikalische Prozesse, bentho-pelagische Wechselwirkungen und vom Menschen verursachte Nährstoffeinträge die Funktionsweise von Ökosystemen stark beeinflussen. Diese Küstenbereiche wirken als Filter: Sie steuern den Nährstofftransport in offene Becken, indem sie Nährstoffe zurückhalten, umwandeln oder dauerhaft entfernen – durch gekoppelte physikalisch-biogeochemische Prozesse.
Unsere Arbeiten unterteilen die deutschen Lagunensysteme in mehrere miteinander verbundene Becken, um zu untersuchen, wie Ketten solcher Becken Nährstoffe schrittweise filtern, bevor sie die offene Ostsee erreichen. Die Abschätzung von Nährstoffrückhalt und Filtereffizienz ist entscheidend, um biogeochemisch aktive „Hotspot“-Becken zu identifizieren, die Nährstoffe besonders effektiv zurückhalten, ebenso wie Transportwege mit geringer Filterwirkung. Das Verständnis dieser Muster hilft, Beobachtungsprogramme gezielt zu steuern und Minderungsstrategien auf Gebiete mit dem höchsten Filterpotenzial zu fokussieren.
Hierzu verwenden wir gekoppelte hydrodynamisch-biogeochemische Modelle, um den Küstenfilter, die benthisch-pelagische Kopplung und den Nährstoffkreislauf in den flachen deutschen Küstengewässern zu untersuchen und Einblicke in die biogeochemische Dynamik auf Beckenebene zu gewinnen.

Interdisziplinäre Kooperation am IOW: Ökologie benthischer Organismen (BIO), Geographie der Küstenmeere (GEO)

Angewandte Forschung

Auswirkungen der Eutrophierung

Eutrophierung, meist hervorgerufen durch übermäßige Nährstoffeinträge ins Meer, bleibt eine der größten Gefahren für Meereslebewesen, Biodiversität und Ökosystemdienstleistungen. Vollständig gekoppelte biogeochemische Modelle, die sowohl Hydrodynamik als auch die unteren trophischen Ebenen abbilden, sind zentrale Werkzeuge, um das Schicksal wichtiger Nährstoffe (Stickstoff, Phosphor, Kohlenstoff, Sauerstoff) und ihre möglichen Auswirkungen, etwa toxische Algenblüten, zu verstehen.
Die Modelle helfen zu bestimmen, wie ein guter ökologischer Zustand eines gesunden Meeres charakterisiert werden kann und wie Gegenmaßnahmen gegen die Eutrophierung – etwa verbessertes Nährstoffmanagement an Land – zur Erreichung besserer Wasserqualität in Küsten- und offenen Meeresgebieten beitragen können. Darüber hinaus ermöglichen die Modelle ein verbessertes Verständnis der räumlich-zeitlichen Entwicklung wichtiger Wasserqualitätsindikatoren (wie Sauerstoff in Bodennähe), das die in‑situ‑Messungen ergänzt.

Interdisziplinäre Kooperation am IOW: Geographie der Küstenmeere (GEO), Ökologie benthischer Organismen (BIO), Integrierte Optische Fernerkundung (OBS)

Ozeanalkalinisierung

Eine gesteigerte Alkalinität verringert die Aktivität von gelöstem CO₂ im Meerwasser, was den CO₂-Fluss aus der Atmosphäre in den Ozean fördert und somit zur langfristigen Reduktion atmosphärischen CO₂ beitragen kann.
In Modellsimulationen untersuchen wir, ob und in welchem Ausmaß eine Erhöhung der Alkalinität durch Zugabe von Kalzit in Bodennähe der Ostsee atmosphärisches CO₂ entfernen könnte, und bewerten dabei ökologische und chemische Risiken in diesem empfindlichen Randmeer.
Die Arbeit ist Teil des CDRmare‑Konsortiums, das insgesamt untersucht, ob die Erhöhung der Ozeanalkalinität (Ocean Alkalinity Enhancement, OAE) eine sichere, wirksame und skalierbare Methode zur Kohlendioxid-Entfernung ist.
Die Ostsee – ein intensiv genutztes und gut überwachtes Binnenmeer – bietet ein pragmatisches „Testfeld“, um Nutzen und Risiken mariner CDR-Methoden in Küstennähe und in Kontakt mit Stakeholdern zu bewerten. Die Ergebnisse sollen mögliche lokale Pilotprojekte unterstützen, Regulierungs- und Überwachungskonzepte zu erstellen helfen und Daten bereitstellen, um Erkenntnisse aus der Ostsee auf andere Küstenregionen und schließlich auf globale Bewertungen von OAE als Carbon Dioxide Removal (CDR)-Ansatz zu übertragen.

Interdisziplinäre Kooperation am IOW: Biogeochemie umweltrelevanter Gase (CHE), Ökologie benthischer Organismen (BIO)

Entwickelte Modelle

Unsere Arbeitsgruppe beteiligt sich aktiv an der Modellentwicklung am IOW.

ERGOM-Ökosystemmodell

Das „Ecological ReGional Ocean Model“ (ERGOM) ist ein hochmodernes Ökosystemmodell, das von unserer Arbeitsgruppe entwickelt und gepflegt wird. Es simuliert Stoffkreisläufe in marinen Systemen und liefert wertvolle Einblicke in biogeochemische Prozesse. Ursprünglich für die Ostsee konzipiert, wurde ERGOM inzwischen erfolgreich in anderen Küstenregionen weltweit eingesetzt. Neben der Nutzung in unserer eigenen Forschung am IOW wird das Modell auch von anderen Forschungseinrichtungen und Umweltbehörden verwendet.

Weitere Informationen finden Sie unter www.ergom.net.

Code Generation Tool (CGT): Vereinfachte Modellentwicklung

Zur Verbesserung der Entwicklung und Anpassbarkeit von Ökosystemmodellen hat unsere Gruppe das „Code Generation Tool“ (CGT) entwickelt. CGT bietet einen visuellen Editor und einen automatischen Codegenerator, der die Beschreibung biogeochemischer Prozesse vom zugrunde liegenden Modellcode trennt.
Der große Vorteil: Das biogeochemische Modell kann leicht in systemspezifischen Code übersetzt werden. Außerdem erzeugt CGT automatisch Code für erweiterte Funktionen wie Elementverfolgung, Alterung und Vektor-Zustandsvariablen, was die Modellentwicklung deutlich vereinfacht.

„roboelf“ – Offline‑Framework für marine BGC‑Modelle

Der Betrieb mariner biogeochemischer (BGC) Modelle ist rechnerisch deutlich aufwendiger als der rein hydrodynamischer Modelle, da BGC‑Modelle viele Zustandsvariablen enthalten, die alle mit den Ozeanströmen advehiert werden müssen.
Um günstigere Modellläufe zu ermöglichen, entwickelt unsere Arbeitsgruppe ein sogenanntes Offline‑Framework, bei dem BGC‑Simulationen unabhängig vom hydrodynamischen Modell ausgeführt werden und dessen Ausgabe (z. B. simulierte Strömungen) nutzen.
Das von uns entwickelte „roboelf“-Framework besitzt mehrere Eigenschaften, die es besonders effizient machen:

• Schneller und kostengünstiger durch Ausführung auf GPUs statt CPUs
• Lagrangesches Advektionsschema erlaubt größere Zeitschritte
• Effiziente Parallelisierung mehrerer Modellensembles in einem Lauf (z. B. für Sensitivitätsanalysen)

Zukünftig planen wir, die rechnerischen Effizienzgewinne für eine objektive Modellkalibrierung und Unsicherheitsabschätzung zu nutzen.