Projekte

GlacialLegacy

'Glacial legacy on the establishment of evergreen vs summergreen boreal forests'

Die Ökosysteme der borealen Wälder sind für die Menschheit von entscheidender Bedeutung und unterscheiden deutlich zwischen immergrünen und sommergrünen Nadelwäldern. GlacialLegacy beschäftigt sich mit den aktuellen Fragen "Warum wird Nordasien von sommergrünen borealen Wäldern dominiert" und "Wie werden sich diese Lärchenwälder in Zukunft verändern", mit einem kohärenten empirischen und modellierenden Ansatz, der Pollen-Datensynthese, sedimentäre alte DNA-Analysen, Vegetations- und biophysikalische Untersuchungen und Vegetationsmodellierung integriert.

Unsere Hypothese ist, dass sommergrüne und immergrüne Nadelbaumwälder alternative quasistabile Zustände darstellen, die heute unter ähnlichen Klimaten auftreten, die aber aufgrund der unterschiedlichen (genetischen) Eigenschaften der nördlichen Refugien entstanden sind - ein Vermächtnis des vorangegangenen Eiszeitalters. Einmal etablierte asiatische Lärchenwälder stabilisierten sich aufgrund ihres einzigartigen Vegetations-Feuer-Permafrost-Klimasystems, welches die Invasion von immergrünen Taxa hemmt. Die langfristige Vegetationstrajektorie verursacht jedoch den irreversiblen Übergang von Sommergrün in immergrüne Nadelbaumwälder. Dies liegt vor allem daran, dass Lärchen im Vergleich zu immergrünen Fichten und Kiefern eine schwache Konkurrenz darstellen, wenn sie in Mischbeständen wächst. Der asiatische Lärchenwald konnte erst nach einer neuen waldfreien Eiszeit wieder entstehen. Da beide borealen Waldtypen nur über einen bestimmten Klimarahmen hinweg stabil sind, könnte ein zukünftiges wärmeres und trockeneres Klima ihren Übergang in Steppen verursachen, was für asiatische Lärchenwälder irreversibel ist.

Förderung: European Research Council Consolidator Grant 2018-2023

Kooperation:

  • Prof. Dr. Luidmila A. Pestryakova (NEFU, University Yakutsk)

Weiterführende Informationen:

Herzschuh, U., Birks, H.J.B., Laepple, T., Andreev, A., Melles, M., & Brigham-Grette, J. (2016). Glacial legacies on interglacial vegetation at the Pliocene-Pleistocene transition in NE Asia. Nature Communications. 7, 1–11. doi:10.1038/ncomms11967, https://www.nature.com/articles/ncomms11967.pdf

PAST PERMAFROST

Web-based visualisation of past environmental change in permafrost regions

Dieses Projekt bringt Akteure aus Wirtschaft, Forschung und Bildung zusammen, um die Zukunft wissenschaftlichen Ziele der Schwerpunktgruppe Arctic Lake System Dynamics im Hinblick auf ihre Relevanz für die deutsche und internationale Gesellschaft nachhaltig zu gestalten. Das übergeordnete Ziel von PAST PERMAFROST ist die Entwicklung eines Web-Tools, das es dem Anwender ermöglicht, AWI-Umweltdatensätze in Raum und Zeit in Permafrostgebieten zu visualisieren (inkl. interaktiver Karten der vergangenen und gegenwärtigen Vegetation). Die Standorte können genutzt werden, um die tausende Jahre zurückreichende Klimageschichte des Gebietes mit dem aktuellen thermischen Zustand des Permafrostes zu vergleichen. Unser übergeordnetes Ziel ist, unsere Paläoklima-Ergebnisse mit den direkten Folgen der jüngsten Umweltveränderungen im Permafrost zu verbinden.

Schwerpunkt: Dynamik Arktischer Seesysteme

Kontakt: Boris Biskaborn, Stuart Vyse

Förderung: ESKP - Earth System Knowledge Plattform

Kooperation:

  • Potsdam Institute for Climate Impact Research: Dr. Tobias Geiger
  • Arctic Portal (Iceland): Halldor Johannsson
  • Universität Potsdam: Allgemeiner Studierendenausschuss
  • Deutsches Geoforschungszentrum: Dr. Arne Ramisch

Palaeohydrology of the Gobi Desert

Palaeohydrology of the Gobi Desert

Das nördliche Vorland des tibetischen Plateaus mit seinen abflußlosen Becken spielt eine Schlüsselrolle in der geologischen und paläoökologischen Entwicklung Zentralasiens. Die Ablagerungsumgebung ist durch äolische, fluviale und lakustrine Bedingungen gekennzeichnet. Die Sedimentzufuhr wird auch durch die Gletscherdynamik und die periglazialen Prozesse im gebirgigen Hinterland des Qilian Shan gesteuert. Die Berge stellen wichtige Quellen für die Wasserversorgung des Landwirtschaftsgürtels des angrenzenden Hexi-Korridors und der abflußlosen Becken dar. Die Beckensedimente stellen Lagerstätten für den Staubtransport über Zentralasien und Nordchina dar und sind direkt mit dem chinesischen Lössplateau verbunden.

Schwerpunkt: Dynamik Arktischer Seesysteme

Kontakt: Georg Schwamborn

Förderung: BMBF - Federal Ministry of Education and Research (2011-2014, 2016-2019)

Kooperation:

Weiterführende Informationen: http://www.senckenberg.de/root/index.php?page_id=18478

Lake & Sea ice algae

Lake & Sea ice algae

Die saisonale Ausdehnung und die Eigenschaften des arktischen Eises an Land und im Ozean bestimmen die Wirksamkeit des Albedo-Feedback-Mechanismus, der eine Verstärkung des arktischen Klimas bewirkt. Verschiedene Eishabitate werden von spezifischen Eisalgen bewohnt, die über taxonomische Grenzen hinweg ähnliche Mechanismen haben, um in diesen extremen Umgebungen zu überleben. Dieses Projekt untersucht das Potenzial sedimentärer alter DNA als Proxy für Veränderungen der Eisbedeckung auf tausendjährigen Zeitskalen (letzten 6000 Jahre), indem die funktionelle Zusammensetzung der Algengemeinschaft in Eis-, Wassersäulen- und Oberflächensedimentproben sowie in marinen und lakustrinen Sedimentkernen aus der Framstraße, Nordwestpazifik und Sibirien (Samoylov, Zentraljakutien) betrachtet werden.

Schwerpunkt: Biodiversität der hohen Breiten

Kontakt: Kathleen Stoof-Leichsenring, Heike Zimmermann

Kooperation:

KoPf-Kohlenstoff im Permafrost

KoPf-Kohlenstoff im Permafrost

Das interdisziplinäre deutsch-russische Projekt 'KoPf-Kohlenstoff im Permafrost Kohlenstoffumsatz und Treibhaugasfreisetzung aus tauendem Permafrost Nordostsibiriens unter sich ändernden Umwelt- und Klimabedingungenproject' wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Die kontinentalen polaren Ökosysteme sind Lebensräume für Menschen, Tiere, Pflanzen und bieten unverzichtbare Ökosystemleistungen. KoPf wird das Vorkommen, die Entstehung, den Umsatz und die Freisetzung von organischem Kohlenstoff in ostsibirischen Permafrostlandschaften untersuchen, um ein besseres Verständnis dafür zu erhalten, wie betroffene Permafrostlandschaften auf die globale Erwärmung reagieren und wie diese Reaktion die lokale, regionale und globale Kohlenstoffbilanz beeinflussen wird. Steigende arktische Temperaturen führen zu Tauen des oberflächennahen Permafrosts, Veränderungen der Landschaft und der Vegetation und zu vermehrt auftretenden Feuern in Taiga und Tundra.
Wissenschaftler aus Russland und Deutschland arbeiten an verschiedenen Schlüsselstandorten in der sibirischen Arktis zusammen, die durch unterschiedliche Störungsregime der Permafrostlandschaften gekennzeichnet sind. Wichtige Standorte sind die russischen Langzeit-Forschungsstandorte Lena-Delta und Chukotka mit großen Datensammlungen zu Kohlenstoff in Böden und im Permafrost und einer detaillierten Charakterisierung der Vegetation. Vegetationdaten werden ebenfalls für die Taymyr, Omoloy, und Kolyma-Region analysiert. Diese In-situ Datensätze aus den Russisch-Deutschen Expeditionen werden für die Aufskalierung von Vegetation, Biomasse und ober- und unterirdischem Kohlenstoff auf die Fläche verwendet.

Schwerpunkt: Vegetationsänderungen der hohen Breiten

Kontakt: Ulrike Herzschuh, Birgit Heim

Förderung: BMBF - Federal Ministry of Education and Research (2017-2020)

Kooperation:

  • Uni Hamburg (PI): Prof. Pfeiffer, Prof. Kutzbach
  • Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches Geoforschungszentrum GFZ, Prof.  Sachs
  • Max-Planck-Institut für Meteorologie Hamburg, Prof. Brovkin
  • Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena, Dr. Göckede
  • University of Cologne: Prof. Rethmeyer
  • NEFU Yaktusk, Prof. Pestryakova
  • AARI St. Petersburg:  Prof. D. Bolshiyanov
  • Uni St. Petersburg: Prof. I. Fedorova
  • Melnikov Permafrost Institute Yakutsk, Dr. Grigoriev
  • SPbSU Dr. Abakumov
  • RAS/SB Dr. Barsukov

Permafrost-Tundra Landschaft des Lena-Deltas in Sibirien. Links: Vegetations-Plots und Permafrost Kerne der Russisch-Deutschen Lena Expedition 2018. Rechts: Vegetationsvergesellschaftungen der Tundra und Überflutungsflächen, Sentinel-2 Satellitendatenklassifikation, Aufnahme August 2018.

‘Paleolimnological Transect’ (PLOT) project

‘Paleolimnological Transect’ (PLOT) project

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte deutsch-russische Projekt "Paleolimnological Transect" (PLOT) widmet sich der Erforschung der spätquartären Klima- und Umweltgeschichte entlang eines mehr als 6000 km langen Transektes durch Nordeurasien. Der Schwerpunkt liegt auf potentiell alten Seen wie dem Ladogasee, Bolshoye Shuchye, Levinson-Lessing, Taymyr und Emanda. Im Rahmen des Projektes ist das AWI Potsdam (PI H. Meyer) für die stabile Isotopengeochemie im Projekt für Klima- und Umweltforschung zuständig. Die Seen werden auf stabile Sauerstoffisotope in Kieselalgen aus lakustrinen Sedimenten und auf stabile Wasserisotope zur Rekonstruktion vergangener Klima-, Umwelt- und Hydrologieveränderungen untersucht. Für eine quantitative Rekonstruktion werden die gemessenen Umweltschwankungen mit Klimamodellausgaben über explizierte Isotopendiagnostik kombiniert (AWI Bremerhaven, M. Werner).

Schwerpunkt: Klimawandel in der Vergangenheit 

Kontakt: Hanno Meyer, Svetlana Kostrova

Förderung: BMBF - Federal Ministry of Education and Research (2015-2019)

Kooperation:

  • University of Cologne: Prof. Dr. Martin Melles (PI), Prof. Dr. B. Wagner
  • University of Kiel. Prof. Dr. S. Krastel
  • AARI St. Petersburg: Dr. G. Fedorov, Prof. D. Bolshiyanov
  • INWP Petrozovodsk: Prof. D. Subetto
  • NEFU Yakutsk: Prof. L. Pestriakova

Weiterführende Informationen: http://www.geologie.uni-koeln.de/2045.html

High-resolution reconstruction of regional climate changes in Antarctica

High-resolution reconstruction of regional climate changes in Antarctica

- Glaciological and isotope-geochemical studies on the Antarctic Peninsula and the West Antarctic Ice Sheet 

 

Ziel dieses Projektes ist es, die jüngste und vergangene Klimavariabilität zweier Hochakkumulationsregionen in der Westantarktis - der nördlichen Antarktischen Halbinsel und der Union Glacier Region in den Ellsworth Mountains auf dem Westantarktischen Eisschild - zu untersuchen und mögliche Einflussfaktoren für beobachtete Veränderungen zu ermitteln. Dazu werden neu gesammelte Eis/Schnee-Kerne aus beiden Regionen als natürliche Klimaarchive genutzt und in hoher (jahreszeitlicher) Auflösung auf Dichte, stabile Wasserisotope und verschiedene chemische Parameter analysiert. Neue Daten über Akkumulationsraten und meteorologische Parameter (z.B. Lufttemperatur) sowie Informationen über Herkunft und Transportwege von Niederschlagsluftmassen werden gewonnen.

Schwerpunkt: Past Climate Change

Kontakt: Kirstin Hoffmann, Hanno Meyer

Förderung: Elsa-Neumann Scholarship of the state of Berlin for Kirstin Hoffmann (2016-2019)

Kooperation:

  • Department of Geography, Humboldt-University of Berlin, Germany – Prof. Dr. Christoph Schneider
  • Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Andrés Bello (UNAB), Viña del Mar, Chile – Dr. Francisco Fernandoy
  • Trace Chemistry Laboratory, Division of Hydrologic Sciences, Desert Research Institute (DRI), Reno, Nevada, USA – Dr. Joseph R. McConnell
  • Ice Dynamics and Paleoclimate, British Antarctic Survey (BAS), UK – Dr. Elizabeth R. Thomas

HEIBRiDS Forschungsprojekte

HEIBRiDS Forschungsprojekte

Interdisziplinäre Projekte an der Schnittstelle zwischen Naturwissenschaften und Data Science                  

Projekt A: "Arctic Environmental Data Analytics"– Gregor Pfalz

Projekt B: "Data fusion using remote sensing data and machine/deep learning techniques to better understand present, past and future vegetation dynamics in Central Yakutia" – Femke van Geffen

Die "Helmholtz Einstein International Research School on Data Science" ist ein auf sechs Jahre angelegtes Kooperationsprojekt mit dem Einstein Center Digital Future (ECDF), den Berliner Universitäten und den in der Hauptstadtregion ansässigen sechs Helmholtz-Zentren.

Die Promotionsthemen kommen aus den Forschungsschwerpunkten Imaging, Machine Learning, Modellierung, neue Hardware-Konzepte, Visualisierung und Sequenzierung. Die interdisziplinären Themen werden von Betreuer-Teams, bestehend aus zwei Professoreninnen bzw. Professoren, einer Person aus der Helmholtz-Gemeinschaft und einer aus dem ECDF, formuliert und betreut.

HEIBRiDS kann somit eine einzigartige Umgebung nutzen, die die Erforschung der Kernmethoden, Algorithmen und Prozesse der Digitalisierung aus unterschiedlichen Blickwinkeln ermöglicht und Wissen zwischen unterschiedlichen Disziplinen transportiert.

Projekt A versucht durch die Entwicklung eines Datenanalyse-Systems die frühere und heutige Beziehung zwischen dem Klimawandel in der Arktis und der Ökosystemdynamik in nördlichen Seesystemen zu rekonstruieren. Hierfür stützt sich das Projekt auf paläoklimatologische Daten aus der russischen Arktis von vergangenen Expeditionen des Alfred-Wegener-Instituts sowie von russischen Partnern.

Das Ziel von Projekt B ist die Entwicklung von neuen Machine/Deep Learning Methoden zur Analyse von Vegetationsdaten, die es ermöglichen einen Einblick in die Dynamik von Vegetationsarten über die Zeit zu gewinnen.

Schwerpunkt: Dynamik Arktischer Seesysteme (Projekt A)

                           Vegetationsänderung der hohen Breiten (Projekt B)

Kontakt: Boris Biskaborn, Ulrike Herzschuh, Bernhard Diekmann, Gregor Pfalz, Femke van Geffen

Förderung: HEIBRiDS Graduate School (2018 – 2022)

Kooperation:

ESA CCI+ Permafrost

ESA CCI+ Permafrost

Im European Space Agency (ESA) Climate Change Initiative (CCI+) Programm werden konsistente Zeitserien für klimawissenschaftliche Anwendungen produziert. In CCI+ Permafrost (2018-2021) simuliert die Universität Oslo zirkum-arktische Zeitreihen von Permafrosttemperatur und Auftautiefe für den Zeitraum von 2003 bis 2017 mit dem transienten Equilibrium-Model CryoGrid. Dieses wird mit aus Satelliten-Daten abgeleiteter Oberflächentemperatur und Schneewasser-Äquivalent angetrieben.

AWI Potsdam ist verantwortlich für die Permafrost_cci Produkt-Validierung. Dafür stellen wir die Permafrost_cci und REKLIM Bodentemperatur-Kollektion aus Temperaturmessungen in flachen Bodentiefen und begleitende Datensätze zu Stratigraphie, Bodeneisgehalt und Vegetationsbedeckung zusammen, um entsprechend dem 3‑Schichten Erdsystem-Modell für Permafrost Landschaften (Warwick et al. 2017) alle Daten der drei Schichten Auftauboden, Permafrost und Vegetation/Infrastruktur/Schnee zusammenzubringen.

Schwerpunkt: Vegetationsänderungen der hohen Breiten

Kontakt: Birgit HeimMareike Wieczorek

PartnerESA Climate Change Initiative

Kooperation:

  • Gamma Remote Sensing and Consulting AG (GAMMA), Switzerland - Dr. Tazio Strozzi
  • b.geos GmbH (B.GEOS), Austria - Dr. Annett Bartsch
  • AWI Potsdam Permafrost Research, Germany – Prof. Dr. Guido Grosse, Dr. Ingmar Nitze
  • AWI Potsdam Atmospheric Research, Germany – Dr. Heidrun Matthes, Prof. Dr. Annette Rinke
  • University of Oslo, Geosciences, Norway - Prof. Dr. Sebastian Westermann, Dr. Jaros Obu
  • University of Fribourg, Geosciences, Switzerland - Prof. Dr. xxx
  • Bolin Centre of Climate Research of Stockholm University, Sweden - Prof. Dr. Gustaf Hugelius
  • West University of Timișoara, Geosciences, Romania
  • TERRASIGNA, Bucharest, Romania
  • Norwegian Research Centre NORCE, Tromsø, Norway
  • University Centre in Svalbard UNIS Norway

Abbildung Permafrost_cci Permafrost Vorkommen der Nördlichen Hemisphäre und in situ Temperature und Umweltvariablen Daten Kollektion aus einer großen Bandbreite von Meßprogrammen (links). (rechts) Die Permafrost_cci und REKLIM Datenkollektion bringt alle Daten nach dem 3 Layer Konzept für Permafrost Landschaften zusammen: 2 Schichten repräsentieren die Auftauschicht und den Permafrost und beide zusammen die Geo und Cryosphäre; die 3. Schicht ist die Pufferschicht der Bio- und Hydrosphäre die auch die Infrastruktur beinhaltet (die Datensammlung ist fortlaufend im Rahmen dieses Projektes).

SPACE

Räumlich-zeitliche Struktur von Klimaänderungen

Das Ziel von SPACE ist es, die räumliche und zeitliche Struktur von Klimaänderungen auf Zeitskalen von Jahren bis Jahrtausende zu bestimmen, und diese zu nutzen, um Klimamodelle zu testen, unser Verständnis von Klimaschwankungen zu verbessern und eine solidere Basis für Klimarekonstruktionen bereitzustellen. Direkte Beobachtungsdaten (z.B. von Wetterstationen) sind nur eine Momentaufnahme der Klimageschichte. Zwei Entwicklungen erlauben uns inzwischen jedoch eine bessere Nutzung von Paläoklimaarchiven: (1) Die verbesserte Verfügbarkeit und der zunehmende Umfang von Paläoklimadaten und (2) die großen Fortschritte im Verständnis der Paläoarchivierungsprozesse (siehe auch das Projekt ECUS).

Sowohl empirische Evidenzen als auch die Physik weisen auf eine enge Verbindung von Zeitskala und assoziierter räumlicher Ausdehnung von Klimaschwankungen hin. Während schnelle Variationen wie das Wetter regional sind, weisen die Wechsel zwischen Warm- und Eiszeiten eine global kohärente Komponente auf. SPACE quantifiziert diese angenommene Tendenz des Klimasystems, seine räumlichen Freiheitsgrade auf längeren Zeitskalen zu reduzieren und nutzt diesen Zusammenhang, um die oft verrauschten und teilweise widersprüchlichen Paläoklimadaten besser zu interpretieren. Ziel ist damit die Paläoklimaforschung für quantitative Tests von Klimamodellen und das Erdsystemverständnis besser nutzbar zu machen und die zukünftige Klimaentwicklung über den Blick in die Vergangenheit besser einzuschätzen.

Schwerpunkt: Erdsystemdiagnose

Kontakt: Thomas Laepple

Förderung: €1.5M European Research Council Horizon 2020 Grant 2017-2022 

Weiterführende Informationen:

Rehfeld, Kira, Thomas Münch, Sze Ling Ho, and Thomas Laepple. 2018. “Global Patterns of Declining Temperature Variability from the Last Glacial Maximum to the Holocene.” Nature 554 (7692): 356–59. https://doi.org/10.1038/nature25454.

Kunz, T., Dolman, A. M., & Laepple, T. (2020). Estimating the timescale-dependent uncertainty of paleoclimate records – a spectral approach. Part I: Theoretical concept. Climate of the Past Discussions, 1–38. https://doi.org/10.5194/cp-2019-150

Abbildungen: auf längeren Zeitskalen vergrössert sich die räumliche Ausdehnung (in der Raum-Zeit Struktur)

Expedition Partner

North Eastern Federal University Yakutsk

Federal University Kazan

Herzen State Pedagogical Universtiy St. Petersburg

Otto Schmidt Laboratory, St. Petersburg, RU

St. Petersburg University, RU

Earth Cryosphere Institute Moscow and Tymen (ECI) SB RAS, RU

University Fairbanks Alaska, US, RU