English:

The goal of this proposal is to study the marine boundary layer (MBL), which is the lowest part of the atmosphere directly influenced by the ocean surface. This layer plays a key role in the exchange of heat, water vapor, and carbon dioxide between the ocean and the atmosphere. We aim to understand how the MBL changes when it is located above ocean eddies, and how these changes influence larger-scale weather and climate patterns.
This DFG project is closely linked to the international project WHIRLS (The impacts of ocean fine-scale whirls on climate and ecosystems), which will investigate how small-scale ocean features, such as warm and cold eddies, influence the atmosphere and marine ecosystems. Project partners are École Normale Supérieure / Laboratoire de Météorologie Dynamique (France), GEOMAR Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, among others. The measurement campaign will start and end in Cape Town, South Africa, and will take place in the Atlantic Ocean between June 23 and July 29, 2026. Although the investigated ocean structures are relatively small (from 1 to 100 km in diameter), they have significant effects on how heat, moisture, and gases are exchanged between the ocean and the atmosphere. Understanding these effects is important for improving climate and ecosystem models.
During the WHIRLS campaign, a unique combination of instruments on the R/V Marion Dufresne II and the R/V Agulhas II will investigate the ocean and the MBL at very high resolution. By observing atmospheric temperature, humidity, winds, and turbulent fluxes together with ocean conditions (such as sea surface temperature, salinity, currents, and biological and chemical properties), WHIRLS will reveal how quickly the atmosphere responds to local ocean changes and how these feedback processes shape the climate system.
The atmospheric observation component of WHIRLS will be provided by this DFG proposal, using a set of three advanced lidars. One of these instruments, the Atmospheric Raman Temperature and Humidity Sounder (ARTHUS developed at and operated by University of Hohenheim - UHOH), will measure temperature and humidity with high temporal and range resolution of a few m and s. Two Doppler lidars of UHOH will measure wind and the vertical structure of the atmosphere. Together, these instruments will allow us to investigate in detail how the atmosphere responds to fine-scale changes in the ocean surface. For the first time, ARTHUS will also measure CO2 profiles over sea, contributing to a better understanding of the mechanisms that regulate CO₂ transfer from the deep ocean interior to the atmosphere.
These observations will provide valuable data to improve models of how the ocean and atmosphere interact. Therefore, they will support better predictions of how climate and marine ecosystems respond to environmental changes.

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German:

Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung der atmosphärischen Grenzschicht über dem Ozean (MBL), des untersten Teils der Atmosphäre, der direkt von der Meeresoberfläche beeinflusst wird. Diese Schicht spielt eine Schlüsselrolle beim Austausch von Wärme, Wasserdampf und Kohlendioxid zwischen Ozean und Atmosphäre (O-A). Wir wollen verstehen, wie sich die MBL verändert, wenn sie sich über Meereswirbeln befindet, und wie diese Veränderungen großräumige Wetter- und Klimamuster beeinflussen.

Dieses DFG-Projekt ist eng mit dem internationalen Projekt WHIRLS (Auswirkungen von feinskaligen Meereswirbeln auf Klima und Ökosysteme) verknüpft, das untersucht, wie kleinräumige Meeresstrukturen wie warme und kalte Wirbel die Atmosphäre und marine Ökosysteme beeinflussen. Projektpartner sind École Normale Supérieure / Laboratoire de Météorologie Dynamique (Frankreich), GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel und andere. Die Messkampagne beginnt und endet in Kapstadt, Südafrika, und findet vom 23. Juni bis 29. Juli 2026 im Atlantischen Ozean statt. Obwohl die untersuchten Meeresstrukturen relativ klein sind, haben sie signifikante Auswirkungen auf den Austausch von Wärme, Feuchtigkeit und Gasen zwischen Ozean und Atmosphäre. Das Verständnis dieser Effekte ist wichtig für die Verbesserung von Klima- und Ökosystemmodellen.

Im Rahmen der WHIRLS-Kampagne wird eine einzigartige Instrumentenkombination an Bord der Forschungsschiffe „Marion Dufresne II“ und „Agulhas II“ den Ozean und die MBL mit sehr hoher Auflösung untersuchen. Durch die Beobachtung von atmosphärischer Temperatur, Feuchtigkeit, Winden und turbulenten Flüssen sowie von Ozeaneigenschaften (wie Meeresoberflächentemperatur, Salzgehalt, Strömungen und biologischen und chemischen Bestandteilen) wird WHIRLS aufzeigen, wie schnell die Atmosphäre auf lokale Veränderungen im Ozean reagiert und wie diese Rückkopplungsprozesse das Klimasystem prägen. Die atmosphärische Beobachtungskomponente von WHIRLS wird durch diesen DFG-Antrag mit drei leistungsfähigen Lidarsystemen realisiert. Eines dieser Instrumente, der Atmospheric Raman Temperature and Humidity Sounder (ARTHUS, entwickelt an der Universität Hohenheim UHOH), misst atmosphärische Temperatur- und Feuchteprofile mit sehr hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung von wenigen Sekunden bzw. Metern. Zwei Doppler-Lidarsysteme der UHOH erfassen Wind und die vertikale Struktur der Atmosphäre. Zusammen ermöglichen uns diese Instrumente, detailliert zu untersuchen, wie die Atmosphäre auf kleinräumige Veränderungen der Meeresoberfläche reagiert. ARTHUS wird zudem erstmals CO₂-Profile über dem Meer bestimmen und so zu einem besseren Verständnis der Mechanismen beitragen, die den CO₂-Transfer aus der Tiefsee in die Atmosphäre regulieren.

Diese Beobachtungen liefern wertvolle Daten zur Verbesserung von Modellen der Wechselwirkungen zwischen O-A Dadurch ermöglichen sie präzisere Vorhersagen darüber, wie Klima und marine Ökosysteme auf Umweltveränderungen reagieren.