Tropische Küsten im Erdsystem
Tropische Küstenregionen stellen sozial-ökologische Systeme an der Schnittstelle von Land, Ozean und Atmosphäre dar. Sie beherbergen eine außergewöhnliche Biodiversität, regulieren das globale Klima durch Austausch von Kohlenstoff und Wärme, und sichern Millionen von Menschen ihren Lebensunterhalt durch Fischerei, Tourismus und Küstenlandwirtschaft. Dennoch sind diese Regionen in aktuellen Erdsystemmodellen unzureichend berücksichtig, was unser Verständnis darüber eingeschränkt, wie sich globale Veränderungen auf tropische Küstenökosysteme und Gesellschaften auswirken und wie diese Regionen wiederum das Erdsystem beeinflussen.
TropEcS (Modelling Socio-Economic Dimensions across Tropical Coastal Ecosystems and the Earth System) ist ein neuer Forschungsschwerpunkt zur Stärkung der integrierten Modellierungskompetenzen des ZMT. Er vereint Expertise in der Erdsystemmodellierung – einschließlich physikalischer Ozeandynamik, Biogeochemie, Ökosystemreaktionen und Mensch-Umwelt-Interaktionen – mit langjährigen Stärken des ZMT in der tropischen Küstenforschung. Diese Integration verbindet detailliertes Prozessverständnis und lokales Wissen mit globaler und regionaler Modellierung und ermöglicht so eine umfassendere Darstellung tropischer Küstenräume in Erdsystemmodellen.
Abbildung 1: TropEcS-Vision zur Darstellung von Küstenprozessen in Erdsystemmodellen (ESMs). A zeigt einen Küstenquerschnitt in einem typischen ESM mit grober horizontaler Auflösung, während B die in ESMs üblicherweise dargestellten Prozesse darstellt. C verdeutlicht die notwendige konzeptionelle Herunterskalierung für die Abbildung des Küstenraums, und D illustriert die Ökosystemmodell-Komponenten, die im Rahmen von TropEcS integriert werden sollen.
Integration von Skalen und Disziplinen
TropEcS vereint Expertise aus physikalischen, biogeochemischen, ökologischen und sozialwissenschaftlichen Disziplinen, um die gekoppelten Dynamiken tropischer Küstensysteme zu untersuchen. Mithilfe moderner Modellierungsansätze wollen wir lokale Ökosystemprozesse mit globalen Klima- und biogeochemischen Rückkopplungen verknüpfen und damit eine wissenschaftliche Grundlage für ein nachhaltigeres und anpassungsfähigeres Management von Küstenregionen schaffen.
Abbildung 2: Darstellung der Wechselwirkungen von Teilprozessen in der Erdsystemmodellierung. Blaue Pfeile kennzeichnen etablierte Modellkopplungen, während orangefarbene Pfeile neue Wechselwirkungen hervorheben, die im Rahmen von TropEcS entwickelt werden sollen.
Wissenschaftliche Vision
Durch die Verknüpfung von Modellierung, konzeptionellem Wissen, Datenwissenschaft und Feldforschung wird TropEcS einen Rahmen schaffen, um zentrale Fragen der Küstenresilienz im Kontext des globalen Wandels zu untersuchen. Ziel ist die Entwicklung einer integrierten Küstenmodellierungsperspektive, die lokale und globale Skalen miteinander verbindet und sowohl natürliche als auch menschliche Dimensionen berücksichtigt.
Gerechte Partnerschaften und langfristige Forschungskollaborationen – sowohl zwischen dem Globalen Norden und Süden als auch innerhalb von Süd-Süd-Netzwerken – stehen im Zentrum dieser Vision. Diese Kooperationen sollen starke und inklusive Wissensgemeinschaften aufbauen und die nächste Generation von Wissenschaftlerinnen, Wissenschaftlern und Modellierenden befähigen, dieses Forschungsfeld weiterzuentwickeln.
TropEcS Arbeitsgruppen
Die Forschung im Rahmen von TropEcS wird von sechs Arbeitsgruppen getragen, die unterschiedliche Komponenten tropischer Küstensysteme untersuchen und ihre Modellierungsansätze miteinander verknüpfen. Gemeinsam bringen sie Expertise aus der physikalischen, biogeochemischen, ökologischen und sozial-ökologischen Modellierung zusammen. Ergänzt wird ihre Arbeit durch weitere Forschungsgruppen des ZMT, die sich mit eigenen Forschungsschwerpunkten an TropEcS beteiligen.
- Erdsystemmodellierung
Die Arbeitsgruppe Erdsystemmodellierung untersucht physikalische Prozesse in tropischen Küstenregionen, insbesondere ozeanische Turbulenz und deren Einfluss auf den Transport von Wärme, Energie und Stoffen. Mithilfe hochaufgelöster Simulationen und neuer Parametrisierungen verbessert sie die Darstellung kleinräumiger Prozesse in Erdsystemmodellen und untersucht deren Bedeutung für Küstendynamik, biogeochemische Kreisläufe und ökologische Veränderungen.
- Hydrogeochemischer Transport
Die Arbeitsgruppe Hydrogeochemischer Transport untersucht, wie hydrologische Prozesse, Landschaftseigenschaften und menschliche Aktivitäten die Wasser- und Stoffflüsse zwischen Land und Meer beeinflussen. Durch die Verknüpfung hydrologischer, hydrogeologischer und geochemischer Modelle analysiert sie den Transport von Wasser, Nährstoffen und Schadstoffen über Grundwasser und Oberflächengewässer aus tropischen Einzugsgebieten in den Küstenozean sowie dessen Veränderungen unter unterschiedlichen Umweltbedingungen.
- Erdoberflächen und Öko-evolutionäre Dynamik
Die Arbeitsgruppe Erdoberflächen und Öko-evolutionäre Dynamik untersucht die Wechselwirkungen zwischen biologischer Vielfalt, ökologischen Prozessen und der Entwicklung von Landschaften. Sie analysiert funktionelle Eigenschaften terrestrischer und aquatischer Organismen und modelliert, wie sich Lebensgemeinschaften und ihre Umwelt gegenseitig beeinflussen. Damit trägt sie dazu bei, funktionelle Diversität und langfristige ökologische Veränderungen besser in Erdsystemmodellen abzubilden.
- Biogeochemische Modellierung
Die Arbeitsgruppe Biogeochemische Modellierung untersucht, wie physiologische Eigenschaften, Arteninteraktionen und Umweltbedingungen die Dynamik aquatischer Ökosysteme und biogeochemischer Kreisläufe beeinflussen. Sie entwickelt mechanistische und merkmalsbasierte Modelle, die Prozesse von einzelnen Organismen bis hin zu Ökosystemen verknüpfen. Forschungsschwerpunkte sind unter anderem der marine Stickstoffkreislauf, Planktongemeinschaften und die Reaktionen von Korallenriffen auf Umweltveränderungen.
- Ökosysteme und nachhaltige Ressourcen
Die Arbeitsgruppe Ökosysteme und nachhaltige Ressourcen untersucht die Funktionsweise mariner Ökosysteme und ihre Bedeutung für die nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen. Sie entwickelt ökologische Modelle, die physiologische Prozesse, hochaufgelöste Ozeansimulationen und lokales Wissen miteinander verbinden. Gemeinsam mit Küstengemeinschaften erforscht sie, wie Ökosysteme auf Umweltveränderungen reagieren und welche Anpassungsstrategien eine nachhaltige Ressourcennutzung unterstützen können.
- Zukunftsfähige Ozeane und Fischerei
Die Arbeitsgruppe Zukunftsfähige Ozeane und Fischerei untersucht, wie Klimawandel und menschliche Ressourcennutzung marine Ökosysteme, Fischereien und die Lebensgrundlagen von Küstengemeinschaften verändern. Mithilfe mariner Ökosystemmodelle und deren Verknüpfung mit ökonomischen Modellen analysiert sie die Wechselwirkungen zwischen ökologischen Prozessen und Fischerei. Ziel ist es, nachhaltige Fischereistrategien und Entwicklungspfade für widerstandsfähige tropische Ernährungssysteme zu identifizieren.
Weitere Beiträge zu TropEcS
Neben den sechs TropEcS-Arbeitsgruppen bringen weitere Forschungsgruppen und Organisationseinheiten des ZMT ihre Expertise und Aktivitäten in TropEcS ein. Ihre Beteiligung erweitert die wissenschaftlichen Perspektiven und Ansätze innerhalb von TropEcS und schafft zusätzliche Möglichkeiten für interdisziplinären Austausch und Zusammenarbeit. Auch diese Gruppen und Einheiten können im Rahmen des TropEcS-Gastwissenschaftlerprogramms für Forschungsaufenthalte und wissenschaftlichen Austausch angefragt werden.
- Transformation durch Transdisziplinarität
Die Arbeitsgruppe Transformation durch Transdisziplinarität bringt sozialwissenschaftliche Perspektiven in die Modellierung tropischer Küstensysteme ein. Im Mittelpunkt stehen reflexive und partizipative Modellierungsansätze, die unterschiedliche Wissensformen, lokale Realitäten und gesellschaftliche Perspektiven berücksichtigen. Damit trägt die Gruppe dazu bei, Modellannahmen kritisch zu hinterfragen, Forschungsfragen gemeinsam mit lokalen Akteuren zu entwickeln und die gesellschaftliche Relevanz von Modellergebnissen zu stärken.
- Kohlenstoff- und Nährstoffkreisläufe
Die Arbeitsgruppe Kohlenstoff- und Nährstoffkreisläufe untersucht biogeochemische Prozesse in tropischen Küstengewässern. Im Rahmen von TropEcS liegt ein Schwerpunkt auf der prozessbasierten Modellierung biogeochemischer Umsetzungen in Flüssen und der Implementierung dieser Prozesse in Landoberflächenmodellen. Damit trägt die Gruppe dazu bei, den Transport und die Umwandlung von Kohlenstoff und Nährstoffen entlang des Land-Meer-Kontinuums besser in Erdsystemmodellen abzubilden.
- Büro für Wissensaustausch
Das Büro für Wissensaustausch fördert den Wissensaustausch und die Zusammenarbeit zwischen Forschung und Gesellschaft. Im Rahmen von TropEcS unterstützt es die Einbindung gesellschaftlicher Akteure und die gemeinsame Gestaltung von Forschungsprozessen (Co-Design). Zudem entwickelt und organisiert es Formate zum Kapazitätsaufbau, die interdisziplinäres Lernen und die Anwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse fördern.
Team at the Universum: Subhendu Chakraborty, Michael Kriegl, Camilla Novaglio, Esteban Acevedo-Trejos, Gabriela Garcia, Murugan Ramasamy, Nils Brüggemann, Alexandra Klemme, Maxime Colin, | Photo: Jan Meier, ZMT
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