4 O v er vi e w of t h e Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’ T h e Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’ will c o ntri b ut e t o a h oli sti c u n d er st a n di n g of E art h s y st e m d y n a mi c s, i nt er a cti o n s a n d f e e d b a c k m e c h a ni s m s a cr o s s E art h’ s c o m p art m e nt s t hr o u g h ti m e a n d s p a c e. O ur pr e vi o u s r e s ult s h a v e alr e a d y d e m o n str at e d t h e c h all e n g e s of a n o v er e x - pl oit e d E art h s y st e m at t h e bri n k of irr e v er si bl e d a m a g e. W e will u nif y f or m erl y s e p ar at e Pr o gr a m s t o li n k e x p erti s e a n d i nfr a str u ct ur e s a n d t o g e n er at e a n d c o m m u ni c at e s y st e mi c k n o wl e d g e t o d e ci si o n- m a k er s i n p oliti c s, e c o n o m y a n d t h e br o a d er s o ci et y. T hi s Pr o gr a m will t h u s pr o vi d e a cti o n a bl e k n o wl e d g e n e e d e d f or a s u st ai n a bl e m a n a g e m e nt of pl a n et E art h. Bri ef S u m m ar y. H u m a n ki n d d e p e n d s o n t h e s p a c e, r e s o ur c e s a n d vit al f u n cti o n s of pl a n et E art h, b ut i n - cr e a si n gl y o v er e x pl oit s t h e s e. E art h S y st e m S ci e n c e s h o w s t h at pi v ot al f u n cti o n s a n d s er vi c e s w hi c h e m er g e fr o m t h e i nt er pl a y of E art h’ s v ari o u s c o m p o n e nt s ar e s eri o u sl y at ri s k. Pl a n et E art h i s a d y n a mi c a n d hi g hl y d eli c at e s y st e m t h at c a n n ot b e u n d er st o o d, l et al o n e m a n a g e d, wit h o ut c o n si d eri n g t h e i nt er d e p e n d e n c e of it s c o m p o n e nt s a n d c o m p art m e nt s. Gl o b al c h a n g e pr o c e s s e s t h er ef or e dri v e a n ur g e nt d e m a n d f or s y st e mi c s ol uti o n s t h at mi ni miz e t h e n e g ati v e i m p a ct of a w ar mi n g cli m at e, s p e ci e s l o s s, d e gr a d ati o n of e n vir o n m e nt al h e alt h a n d r el at e d e n vir o n m e nt al pr o bl e m s. S ci e n c e i s a s k e d t o pr o vi d e vi a bl e o pti o n s f or s af e g u ar di n g f ut ur e s o ci eti e s fr o m r a pi d or u n e x p e ct e d c h a n g e a n d f or e x pl oiti n g E art h’ s r e s o ur c e s i n s u st ai n a bl e w a y s. T h e c h al - l e n g e i s t h u s t o g e n er at e a n d pr o vi d e f u n d a m e nt al k n o wl e d g e ( a d v a n c e d u n d er st a n di n g of t h e E art h s y st e m) a n d a p pli c a bl e k n o w- h o w ( pr e di cti v e c a p a cit y a s w ell a s t e c h ni c al a n d m a n a g e m e nt o pti o n s). T h e s e o ut c o m e s ar e r e q uir e d t o s u p p ort s o ci et y, p oli c y m a k er s a n d e c o n o m y i n t a ki n g criti c al d e ci si o n s i n t h e f a c e of i n e vit a bl e c h a n g e a n d n at ur al h az ar d s a n d wit h t h e p er s p e cti v e of pr o vi di n g a s u st ai n a bl e, li v a bl e e n vir o n m e nt f or h u - m a n ki n d a n d t h e bi o s p h er e a s a w h ol e. T hi s c h all e n g e a n d t h e c o m pl e xit y of i nt er a cti n g c o m p art m e nt s of pl a n et E art h, i n cl u di n g it s i nt er a cti o n s wit h h u m a nit y, m oti v at e s t h e R e s e ar c h Fi el d E art h & E n vir o n m e nt ( R F E & E) of t h e H el m h oltz A s s o ci ati o n t o b u n - dl e it s c o m p et e n c e s i n t h e f o urt h p eri o d of Pr o gr a m- ori e nt e d F u n di n g ( P o F I V) i n o n e c o m m o n Pr o gr a m. T h e Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h 1 – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’ will t h u s p o ol t h e e x p erti s e of m or e t h a n 1, 2 0 0 s ci e nti st s – r ei nf or c e d b y d o ct or al st u d e nt s, p o st- d o ct or al st u d e nt s, t e c h ni c al a n d a d mi ni str ati v e p er s o n n el – fr o m s e v e n H el m h oltz c e nt er s. I nt e gr ati o n i nt o o n e Pr o gr a m will all o w • • • • s y st e m ati c cr o s s- c o m p art m e nt r e s e ar c h t o w ar d s t h e d e v el o p m e nt of s y st e mi c s ol uti o n s t o e n s ur e t h e r e aliz ati o n of o ur mi s si o n, i nt erli n ki n g, h ar m o niz ati o n a n d c o or di n at e d utiliz ati o n of it s u ni q u e f a ciliti e s f or l a b or at or y a n d fi el d w or k, E art h o b s er v ati o n, c o m p uti n g a n d d at a s ci e n c e t o m a k e t h e b e st u s e of t h e w orl d- cl a s s l ar g e r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e s of R F E & E, t h e i m pl e m e nt ati o n of i m pr o v e d a n d j oi nt i n str u m e nt s f or s ci e n c e s y nt h e si s, c o m m u ni c ati o n, a n d p arti ci p a- t or y tr a n sf er t h at will pr o m ot e t h e g e n er ati o n of s y st e mi c o ut c o m e s b e y o n d s ci e nti fi c p u bli c ati o n t o pr o- m ot e s o ci et al tr a n sf or m ati o n a n d f or mi n g a g e n er ati o n of s ci e nti st s fr o m s e v e n r e s e ar c h c e nt er s i n a j oi nt s pirit of o p e n n e s s f or s ol uti o n- ori e nt e d E art h S y st e m S ci e n c e bri d gi n g t h e E art h’ s s p h er e s a n d s ci e nti fi c di s ci pli n e s. 1 T h e d o u bl e m e a ni n g ( p a s si v e a n d a cti v e) i s i nt e n d e d. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 3 7

5 R e s e ar c h Pr o gr a m 5. 1 O bj e cti v e s a n d Str at e g y C h all e n g e s. S ci e nti fi c a n al y si s of t h e st at u s a n d t h e p er s p e cti v e of t h e E art h s y st e m d e m o n str at e s t h at b u si - n e s s- a s- u s u al pr a cti c e i s n ot s u st ai n a bl e a n d mi g ht r e s ult i n a c at a str o p h e f or ci viliz ati o n. T h e r at e at w hi c h t h e h u m a n p o p ul ati o n i s gr o wi n g a n d c o n s u mi n g E art h’ s r e s o ur c e s o ut p a c e s t h e r at e at w hi c h t h e E art h s y st e m c a n b al a n c e or r e pl e ni s h t h e m. T h e gr o wi n g i m b al a n c e b et w e e n d e m a n d a n d s u p pl y , a n d t h e f a ct t h at m a n y m at eri al s f oll o w a li n e ar p at h fr o m r e s o ur c e s vi a pr o d u ct s t o w a st e r e s ult s i n a pl et h or a of pr o bl e m s. T h e s e i n cl u d e cli m at e c h a n g e a n d it s s h ort- a n d l o n g-t er m c o n s e q u e n c e s, e n vir o n m e nt al p oll uti o n, s oil d e gr a d ati o n, t h e l a c k of cl e a n w at er, ri s k s t o f o o d a n d e n er g y s e c urit y, t h e s h ort a g e of s af e, h a bit a bl e li vi n g s p a c e, a s w ell a s t h e l o s s of bi o di v er sit y a n d t h e e c o s y st e m s er vi c e s pr o vi d e d. I m p ort a ntl y, t h e s e gl o b al pr o bl e m s h a v e r e gi o n al a n d l o c al m a nif e st ati o n s. It i s t h u s of ut m o st i m p ort a n c e t o pr o vi d e k n o wl e d g e at t h e s c al e s w h er e miti g ati o n a n d a d a pt ati o n m e a s ur e s n e e d t o b e t a k e n. F or i n st a n c e, t h e i n cr e a si n g p o p ul ati o n s, ur b a niz ati o n, gr o wi n g d e p e n d e n c e o n t e c h n ol o gi c al i nfr a str u ct ur e, a n d u n c ert ai nt y a s s o ci at e d wit h cli m at e c h a n g e ar e i n cr e a si n g t h e ri s k s a s s o ci at e d wit h n at ur al di s a st er s. Hi st ori c all y, t h e st at e s of c ult ur al d e v el o p m e nt a n d t e c h n ol o g y h a v e li mit e d t h e h u m a n p o p ul ati o n siz e a n d it s e n vir o n m e nt al f o ot pri nt. K e y a d v a n c e s i n a gri c ult ur e, i n d u stri al pr o d u cti o n, t e c h n ol o gi c al a d v a n c e s i n all s e ct or s, a n d i m pr o v e m e nt s i n m e di ci n e h a v e pr o m pt e d p o p ul ati o n b o o m s. T o d a y, t h e b o u n d ari e s of t h e E art h s y st e m a s a w h ol e h a v e b e c o m e t h e li miti n g f a ct or f or f urt h er s o ci et al d e v el o p m e nt. 1 0 T h e i m p a ct s of h u m a n a cti viti e s o n t h e E art h s y st e m h a v e r e a c h e d s u c h s c al e s t h at t h e y ar e a fi e cti n g it s f u n cti o ni n g gl o b all y a n d c a n e v e n dri v e g e ol o gi c al a n d g e o c h e mi c al pr o c e s s e s wit h r e p er c u s si o n s o n h u m a n w ell b ei n g – o b s er v ati o n s t h at h a v e l e d t o t h e l a b eli n g of o ur g e ol o gi c al er a a s t h e ‘ A nt hr o p o c e n e’. 1 1 Br o a d i nt er n ati o n al c o n s e n s u s e xi st s t h at t h e pr e s e nt d e gr e e of n o n- s u st ai n a bl e a cti o n s a n d str u ct ur e s r e - q uir e s a s hift of attit u d e s a n d pr a cti c e s of o ur s o ci eti e s. H er e, E art h S y st e m R e s e ar c h h a s t h e c h a n c e – a n d t h u s c arri e s a n e n or m o u s r e s p o n si bilit y – t o r e c o n si d er t h e l e v el of h u m a n i n fi u e n c e t h at d e ff n e s t h e A nt hr o- p o c e n e a s a n o p p ort u nit y f or d e v el o pi n g t h o u g htf ul, d ur a bl e m a n a g e m e nt of o ur pl a n et. O n t h e o n e h a n d, t hi s r e q uir e s t h e pr o vi si o n of e s s e nti al s ci e nti fi c k n o wl e d g e a s t o E art h s y st e m st at e s, d y n a mi c s a n d ti p pi n g p oi nt s i n t h e p a st, pr e s e nt, a n d f ut ur e a s a b a si s f or s u st ai n a bl e m a n a g e m e nt o pti o n s. O n t h e ot h er h a n d, it r e q uir e s r e s ol vi n g t h e criti c al sit u ati o n b y d e m o n str ati n g o pti o n s f or a d a pt ati o n t o n o w i n e vit a bl e c h a n g e a n d h ar dl y c o ntr oll a bl e g e ol o gi c al ri s k s. T o m e et t h e c h all e n g e of u n d er st a n di n g t h e E art h s y st e m w ell e n o u g h f or a d e q u at e m a n a g e m e nt, t h e Pr o gr a m will pi o n e er a hi g h d e gr e e of i nt e gr ati o n a cr o s s it s br o a d s ci e nti fi c s c o p e. A n d – t hr o u g h it s i nt er di s ci pli n ar y a n d tr a n s di s ci pli n ar y a p pr o a c h – it ai m s t o att ai n a s u b st a nti al s o ci et al e fi e ct. T o t hi s e n d, t h e Pr o gr a m will c o n d u ct s ol uti o n- ori e nt e d, s y st e mi c r e s e ar c h wit hi n t h e c o nt e xt of fi v e o v er ar c hi n g gr a n d c h all e n g e s i n li n e wit h t h e F o P o Z: • • • • • cli m at e c h a n g e wit h a n e m p h a si s o n t h e dri v er s a s w ell a s t h e i m p a ct s it will h a v e o n n at ur al a n d h u m a n s y st e m s, i n cl u di n g r e gi o n al m a nif e st ati o n s a n d e xtr e m e e v e nt s, ri s k s f or h u m a n h a bit at s a n d a cti viti e s ari si n g fr o m S oli d E art h d y n a mi c s, t hr e at e n e d e c o s y st e m s, bi o di v er sit y a n d bi o g e o c h e mi c al c y cl e s a s f o u n d ati o n s of vit al e c o s y st e m s er vi c e s, d wi n dli n g n at ur al r e s o ur c e s a s t h e li miti n g f a ct or f or s o ci et al d e v el o p m e nt gl o b all y, t h e n e e d t o pr e s er v e or a c hi e v e a g o o d q u alit y of t h e h u m a n e n vir o n m e nt wit h a n e m p h a si s o n air q u alit y, r e d u c e d p oll ut a nt s e x p o s ur e a n d li v a bl e, s u st ai n a bl e citi e s. 1 0 St e fl e n W, Ri c h ar d s o n K, R o c k str o m J, C or n ell S E, F etz er I, et al. 2 0 1 5. Pl a n et ar y b o u n d ari e s: G ui di n g h u m a n d e v el o p m e nt o n a c h a n gi n g pl a n et. S ci e n c e. 3 4 7( 6 2 2 3): 1 2 5 9 8 8 5. 1 1 Cr utz e n PJ, St o er m er, E. F. 2 0 0 0. T h e “ A nt hr o p o c e n e”. Gl o b C h a n g e N e w sl. 4 1: 1 7. 4 0 Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’.

P art II: T h e Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’ r e q uir e s a d e e p u n d er st a n di n g of t h e i nt er c o n n e ct e d pr o c e s s e s of pl a n et E art h a s a n i nt e gr at e d s y st e m b ut al s o o pti o n s f or miti g ati o n a n d a d a pt ati o n, i n cl u di n g pr e p ar e d n e s s. I n J a n u ar y 2 0 1 9, t h e W orl d E c o n o mi c F or u m i s s u e d it s W orl d Ri s k R e p ort1 2 li sti n g t h e f oll o wi n g si x E art h s y st e m a n d e n vir o n m e nt al ri s k s a m o n g t h e t o p t e n of t h e m o st li k el y a n d m o st c o n s e q u e nti al ri s k s f or 2 0 1 9: e xtr e m e w e at h er e v e nt s, f ail ur e of cli m at e miti g ati o n a n d a d a pt ati o n, n at ur al di s a st er s, m a n- m a d e e n vir o n m e nt al di - s a st er s, bi o di v er sit y l o s s / e c o s y st e m c oll a p s e a n d w at er cri s e s. B e c a u s e of s u c h a s s e s s m e nt s a n d t h eir di s - s e mi n ati o n i n t h e m e di a, a n d r ei nf or c e d b y fir st- h a n d p h y si c al e x p eri e n c e, e. g., m a d e d uri n g t h e E ur o p e- wi d e dr o u g ht s i n 2 0 1 8 a n d 2 0 1 9, t h er e i s e n or m o u s p u bli c c o n c er n a b o ut t h e st at e of t h e h u m a n e n vir o n m e nt. T h e w orl d wi d e ‘ Fri d a y s f or F ut ur e’ pr ot e st s a n d t h e ‘ S ci e n c e f or F ut ur e’ w ar ni n g s wit h o v er 2 0, 0 0 0 si g n at ur e s ar e pr e s e ntl y o n e of t h e m o st vi si bl e si g n s of wi d e- s pr e a d c o n c er n. A n e w r e p ort o n a r e pr e s e nt ati v e citiz e n p oll i n G er m a n y o n t h e st at e of t h e e n vir o n m e nt, p u bli c c o n c er n, a n d r ati n g of p oliti c al a cti o n p u bli s h e d b y t h e G er m a n E n vir o n m e nt al A g e n c y 1 3 s h o w s t h e ur g e n c y of a cti o n. T h e fr u str ati o n a b o ut p er c ei v e d p oliti c al i n a c- ti o n or e v e n a b n e g ati o n b y s o m e d e ci si o n- m a k er s, w h er e r a pi d a n d r e s p o n si bl e a cti o n s h o ul d r at h er o c c ur, i s at a n all-ti m e hi g h. O ur j oi nt Pr o gr a m r e s p o n d s t o t h e s e c o n c er n s b y a d dr e s si n g m a n y of t h e c h all e n g e s a n d tr a n sl ati n g t h e m i nt o f or efr o nt r e s e ar c h, c a p a cit y b uil di n g, a n d k n o wl e d g e tr a n sf er. Str at e g y a n d a p pr o a c h e s t o r e ali z e t h e Pr o gr a m o bj e cti v e s. T h e Pr o gr a m i s c o m mitt e d t o g e n er at e k n o w- l e d g e a n d pr o vi d e vi a bl e o pti o n s f or t h e s u st ai n a bl e m a n a g e m e nt of pl a n et E art h a n d i m pr o v e d r e sili e n c e of h u m a n s o ci eti e s a n d e c o s y st e m s i n t h e f a c e of n at ur al a n d a nt hr o p o g e ni c h az ar d s. T hi s c o m mit m e nt i n cl u d e s t h e a s pir ati o n t h at t h e d e v el o p m e nt of o pti o n s f or a cti o n u s e s s y st e mi c a p pr o a c h e s t o mi ni miz e t h e n e g ati v e si d e- or r e b o u n d e fi e ct s. T h e R F E & E i s o ut st a n di n gl y p o siti o n e d t o a d dr e s s s e v er al of t h e pr e s si n g a n d t h e l o n g- st a n di n g pr o bl e m s of E art h a n d e n vir o n m e nt i n s y st e mi c w a y s: • • • • • • • • It c o v er s all c o m p art m e nt s of t h e E art h s y st e m a n d h a s s u b st a nti al criti c al m a s s f or c o m pr e h e n si v e E art h S y st e m R e s e ar c h, it h a s a c c e s s t o s e v er al h ot s p ot s of e n vir o n m e nt al c h a n g e a n d n at ur al h az ar d a n d m ai nt ai n s s oli d n et- w or k s of l o c al p art n er s, it h o st s a n e x c e pti o n all y br o a d s p e ctr u m of n at ur al, e n gi n e eri n g, s o ci o- e c o n o mi c a n d d at a s ci e n c e s, it s n et w or k of e x c ell e nt s ci e nti fi c p art n er s c o m pl e m e nt s t h e p ortf oli o, cl o s e s g a p s of e x p erti s e a n d h a s t h e p ot e nti al t o e n h a n c e t h e Pr o gr a m’ s s ci e nti ff c o utr e a c h, it c o m m a n d s a w orl d- cl a s s s ci e nti fi c i nfr a str u ct ur e i n it s i n stit ut e s a n d d e pl o y e d w orl d wi d e, it s l o n g-t er m f u n di n g p er s p e cti v e e n s ur e s t h e l o n g wi n d r e q uir e d f or E art h S y st e m R e s e ar c h a n d c a p a cit y b uil di n g, it h a s o v er 1 5 y e ar s of e x p eri e n c e i n cr o s s- c e nt er s ci e n c e i nt e gr ati o n wit hi n t h e fr a m e s of it s p a st a n d pr e s e nt r e s e ar c h Pr o gr a m s a n d it h a s a l o n g r e c or d of st a k e h ol d er i n v ol v e m e nt i n it s r e s e ar c h a n d di al o g u e- ori e nt e d a n d p arti ci p at or y k n o wl e d g e tr a n sf er. Wit h all t h e s e el e m e nt s f or E art h S y st e m S ci e n c e at h a n d, t h e c h all e n g e i s t o d e pl o y a n d li n k t h e m i n w a y s t o cr e at e b e n e fit w hil e e n s uri n g a c o nti n u e d o ut st a n di n g p erf or m a n c e of it s c o ntri b uti n g p art s. T hi s i s d eli n e at e d b y a n o v er ar c hi n g str at e gi c o bj e cti v e w hi c h i s i n ali g n m e nt wit h t h e str at e gi e s of H el m h oltz, t h e R F E & E, a n d t h e F o P o Z f or P o F I V: Str at e gi c O bj e cti v e: I nt e gr at e, c o or di n at e, a n d h ar m o ni z e t h e E art h S y st e m R e s e ar c h c o n d u ct e d i n t h e s e v e n t h e m ati c all y c o m pl e m e nt ar y c e nt er s of t h e R F E & E t o m a xi mi z e it s q u alit y, e fi ci e n c y, vi g or, vi si bilit y a n d s o ci et al b e n e fit. T hi s o bj e cti v e s h all b e a c hi e v e d b y a f u n d a m e nt al r e or g a niz ati o n of si x pr e d e c e s s or Pr o gr a m s w hi c h h a d alr e a d y s u c c e s sf ull y e n h a n c e d o ur c o m p et e n c e f or i nt er di s ci pli n ar y cr o s s- c e nt er c oll a b or ati o n. T h e n e w Pr o - 1 2 S e e htt p s://w w w. w ef or u m. or g / a g e n d a / 2 0 1 9 / 0 1 /t h e s e- ar e-t h e- bi g g e st-ri s k s-f a ci n g- o ur- w orl d-i n- 2 0 1 9 /. 1 3 S e e htt p s://w w w. u m w elt b u n d e s a mt. d e / e n / pr e s s / pr e s si nf or m ati o n / e n vir o n m e nt al- a w ar e n e s s- st u d y- 2 0 1 8. 4 2 Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’.

P art II: T h e Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’ Str u ct ur al O bj e cti v e 2: I m pl e m e nt pr o c e d ur e s f or t h e str at e gi c pl a n ni n g a n d m a n a g e m e nt of r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e s ali g n e d wit h Pr o gr a m o bj e cti v e s. R e s e ar c h t o w ar d s a b ett er u n d er st a n di n g of t h e E art h s y st e m a n d it s c o m p o n e nt s m u st b e s u p p ort e d b y t h e d e v el o p m e nt of st at e- of-t h e- art r e s e ar c h m et h o d s f or o b s er v ati o n, e x p eri m e nt ati o n, m o d eli n g , a n d pr o g n o si s, u n d er pi n n e d b y w orl d- cl a s s r e s e ar c h a n d d at a i nfr a str u ct ur e s. At t h e l e v el of H el m h oltz, t hi s r e q uir e s a dj u st - i n g a n d e n h a n ci n g o ur l ar g e- s c al e u s er f a ciliti e s ( L KII) a n d m o d ul ar, s m all er s c al e ( L KI) i nfr a str u ct ur e s1 4 t o c a pt ur e t h e t e m p or al a n d s p ati al s c al e s at w hi c h cr u ci al pr o c e s s e s t a k e pl a c e, t o e n a bl e t h e pr o c e s si n g a n d i nt er pr et ati o n of t h e l ar g e v ol u m e of d at a o bt ai n e d a n d t o d e v el o p, b uil d a n d o p er at e pil ot a n d d e m o n str ati o n i nfr a str u ct ur e s t o e x a mi n e pr o p o s e d s ol uti o n s. T h e R F- wi d e i nt e gr ati o n of r e s e ar c h will b e u n d er pi n n e d b y c o or di n at e d pl a n ni n g of r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e s f or m or e e fi ci e nt u s e of t h e s e r e s o ur c e s a n d a v oi d a n c e of r e d u n d a n c y. I m p ort a nt i nfr a str u ct ur e d e ci si o n s will t h u s b e t a k e n b y t h e M a n a g e m e nt B o ar d i n c o n s ult ati o n wit h t h e Pr o gr a m B o ar d , a n d t h e l att er will pr o p o s e i nfr a str u ct ur e a dj u st m e nt s a n d e x p a n si o n s t o t h e M a n- a g e m e nt B o ar d. O n e t o ol ar e j oi nt pr o p o s al s f or Str at e gi c I n v e st m e nt s ( H el m h oltz Pr o gr a m), a n ot h er o n e ar e cr o s s- c utti n g i n n o v ati o n t h e m e s s u c h a s t h e C T A s M O S E S a n d Di git al E art h. Str u ct ur al O bj e cti v e 3: D e v el o p a n d i m pl e m e nt a s e a ml e s s f e e d b a c k l o o p of s ci e n c e di al o g u e a n d st a k e h ol d er ( s o ci et y, p oli c y, e c o n o m y) i n v ol v e m e nt, s ci e nti fi c r e s e ar c h, s ci e n c e s y nt h e si s , a n d t h e tr a n sf er of t e c h n ol o g y a n d k n o wl e d g e. T h e Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h’ i s m oti v at e d b y t h e n e e d t o s u p p ort t h e br o a d er s o ci et y, p oli c y m a k er s a n d t h e e c o n o m y i n t a ki n g criti c al d e ci si o n s i n t h e f a c e of e n vir o n m e nt al c h a n g e a n d b y pr o vi di n g t e c h ni c al a n d m a n - a g e m e nt o pti o n s f or s u st ai n a bl e d e v el o p m e nt. S ci e nti fi c pr o c e s s u n d er st a n di n g n e e d s t o b e tr a n sl at e d i nt o r e c o m m e n d ati o n s f or a cti o n, w hi c h i n t ur n, n e e d t o b e a n al yz e d f or t h eir s o ci et al a n d e c o n o mi c c o n s e q u e n c - e s a n d f e e d b a c k i nt o t h e E art h s y st e m. I n p ar all el, t h e s ci e nti ff c pr o c e s s n e e d s t o t a k e u p s o ci et al q u e sti o n s a n d e c o n o mi c n e e d s a n d t o a n al yz e a n d c o m m u ni c at e f e e d b a c k t o c o m m u niti e s. All t hi s r e q uir e s t h e ti m el y i n v ol v e m e nt of s o ci et al a n d e c o n o mi c st a k e h ol d er s ( p oliti ci a n s, i n d u stri e s, ot h er s o ci et al gr o u p s). W e will st art a j oi nt i niti ati v e a n d cr o s s- c utti n g S y nt h e si s a n d C o m m u ni c ati o n Pl atf or m ‘ S y n C o m’ t h at will b e i n c h ar g e of Pr o gr a m- wi d e s y nt h e si s a n d c o m m u ni c ati o n ( s e e C h . 1. 4. 1, p. 5). T hi s i n cl u d e s t h e d e v el o p m e nt of c a p a cit y a n d pr o c e d ur e s ( wit hi n H el m h oltz a n d i n s el e ct e d k e y r e gi o n s) f or r e s p o n si v e n e s s t o cri s e s a n d p oliti c al / s o ci et al i n q uir y. H o w e v er, i n cr e a si n g t h e ‘r e a di n e s s’ of s ci e nti fi c i nf or m ati o n a n d k n o wl e d g e f or s o ci et al u s a g e (i n a n al o g y t o t h e t e c h n ol o g y r e a di n e s s) i s a g e n er aliz e d o bli g ati o n o n all l e v el s of t h e Pr o gr a m a n d a p erf or m a n c e crit eri o n. I n pr a cti c al t er m s, p er s o n n el a n d fi n a n ci al r e s o ur c e s will b e d e v ot e d t o s u c h a cti viti e s, a c o m mit m e nt t o t h e s e a cti o n s will b e i n c e nti viz e d a n d v al u e d, a n d t h eir i m p a ct will b e m o nit or e d. M etri c s c o m pri s e t h e b al a n c e of t h e e x p e n dit ur e of p er s o n n el r e s o ur c e s v er s u s t h e n u m b er of i n stit uti o n aliz e d tr a n sf er a cti viti e s i n t h e c at e g ori e s ‘i nf or m ati o n a n d c o n s ulti n g,’ ‘ st a k e h ol d er di al o g u e’ a n d ‘ e d u c ati o n a n d c a p a cit y b uil di n g.’ T h e d e v el o p m e nt of a c at al o g of m e a ni n gf ul s p e ci fi c m etri c s of i m p a ct, q u alit ati v e a n d q u a ntit ati v e, will b e a t a s k f or t h e Pr o gr a m p e - ri o d. F or s ci e n c e s y nt h e si s, t h e c o or di n at e d pl a n ni n g a n d i nt e gr ati o n of r e s e ar c h i s t h e m aj or t a s k a s it e n s ur e s t h e cr e ati o n of s y n er gi e s a n d t h e pr o vi si o n of s y nt h e siz a bl e k n o wl e d g e. T h e Pr o gr a m h a s t h e u ni q u e c h a n c e t o m at c h t h e s c o p e s of r e s e ar c h i nt e gr ati o n a n d k n o wl e d g e s y nt h e si s, i. e., b a s e d e m a n d- ori e nt e d s y nt h e si s o n br o a d- s c o p e i nt e gr at e d r e s e ar c h, a n e n or m o u s a d v a n c e c o m p ar e d t o pr e s e nt- d a y p o st h o c s ci e n c e s y nt h e si s. Pr eli mi n ar y w or k a n d Pr o gr a m pr e p ar ati o n. I n t h e 2 0 1 8 N at ur e i n d e x of r e s e ar c h i n stit uti o n s i n E art h a n d E n vir o n m e nt al S ci e n c e, H el m h oltz h ol d s t h e s e c o n d r a n k gl o b all y. 1 5 T h e n e w Pr o gr a m will t h u s b uil d o n a hi st or y of s u b st a nti al o ut p ut of str o n g s ci e n c e. T h e c o m m o n Pr o gr a m pr o p o s al ai m s t o c o nti n u e, e x p a n d a n d i nt e gr at e t h e s u c c e s sf ul w or k of fi v e c urr e nt Pr o gr a m s wit hi n R F E & E (‘ G e o s y st e m – t h e C h a n gi n g E art h’; ‘ M a- ri n e, C o a st al a n d P ol ar S y st e m s’; ‘ Fr o m t h e D e e p S e a t o t h e At m o s p h er e’; ‘ At m o s p h er e a n d Cli m at e’; ‘ T err e s - tri al E n vir o n m e nt’) a n d t h e Pr o gr a m ‘ K e y T e c h n ol o gi e s f or t h e Bi o e c o n o m y’ pr e s e ntl y a flli at e d wit h t h e R F K e y T e c h n ol o gi e s. A s t h e o ut c o m e of i n- d e pt h q u alit y e v al u ati o n s b et w e e n O ct o b er 2 0 1 7 a n d A pril 2 0 1 8, t h e p a st s ci e nti ff c p erf or m a n c e of all si x Pr o gr a m s w a s r at e d ‘ o ut st a n di n g’. T hi s t o p gr a di n g i s b ot h a n e n c o ur a g e m e nt a n d a n o bli g ati o n f or f urt h er i m pr o v e m e nt. T o ill u str at e t hi s, s o m e of t h e r e vi e w er s’ r e c o m m e n d ati o n s t h at will b e i m pl e m e nt e d i n t h e n e w Pr o gr a m, ar e li st e d i n T a bl e II- 1 , t o g et h er wit h o ur m e a s ur e s a n d i n str u m e nt s. 1 4 A n o v er vi e w of r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e s g oi n g b e y o n d t h e c o n str ai nt s of t hi s pr o p o s al will b e a v ail a bl e d uri n g t h e o n- sit e e v al u ati o n. 1 5 T h e N at ur e i n d e x i s n ot n or m aliz e d t o t h e siz e s of t h e li st e d i n stit uti o n s a n d t h er ef or e c h ar a ct eriz e s t h e a b s ol ut e v ol u m e of s ci e nti fi c o ut p ut. 4 4 Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’.

P art I: O v er vi e w 2 Cr o s s- C utti n g A cti viti e s a n d Alli a n c e s Cr o s s- C utti n g A cti viti e s ( di sti n g ui s h e d a s C A R F s a n d C T A s) a n d Alli a n c e s s er v e t h e o v er all o bj e cti v e s of t h e H el m h oltz A s s o ci ati o n t o bri d g e R e s e ar c h Fi el d s, t o pr o m ot e t h e m ati c pr o fili n g a n d n et w or ki n g i n t h e R e s e ar c h Fi el d s a n d t o str e n gt h e n a n d or g a niz e li n k s wit h t h e G er m a n s ci e nti fi c c o m m u nit y. O n g oi n g a n d pl a n n e d Cr o s s- C utti n g A cti viti e s of R F E & E a n d p art n er s c o m pri s e: • • C o o p er ati o n s a cr o s s R e s e ar c h Fi el d s ( C A R F s) • • C o m m o n r e s e ar c h n et w or k s R E K LI M a n d HI- C A M Ei g ht c o o p er ati o n s wit h ot h er H el m h oltz R e s e ar c h Fi el d s Cr o s s- T o pi c A cti viti e s ( C T A s) • • • O b s er v at ori e s: T E R E N O a n d M O S E S D at a a n d m o d eli n g pl atf or m s: Di git al E art h ( D E) a n d E art h S y st e m M o d eli n g ( E S M) Pl a n n e d Cr o s s- T o pi c A cti vit y: E xtr e m e s • S ci e n c e Alli a n c e s: D A M a n d D E S A. F or o n g oi n g C C A s, F T E s of p er s o n n el all o c at e d b y t h e T o pi c s ar e i n di c at e d. 2. 1 C o o p er ati o n s a cr o s s R e s e ar c h Fi el d s ( C A R F s) 2. 1. 1 R E K LI M: R e gi o n al Cli m at e C h a n g e a n d H u m a n s wit h R F A er o n a uti c s, S p a c e a n d Tr a n s p ort | C o or di n at or s: Kl a u s Gr o sf el d , A WI; P et er Br a e si c k e, KI T R u n ni n g Ti m e. T h e a cti vit y st art e d i n 2 0 0 7 a n d will r u n t hr o u g h P o F I V. Pl a n n e d F T E ( s ci e nti st s) i n P o F I V. A WI: 1 1; F ZJ: 2; G E O M A R: 0, 1 6 G F Z: 1. 5; H Z G: 2; KI T: 6; U F Z: 2. O bj e cti v e s a n d C h all e n g e s. T h e H el m h oltz cli m at e i niti ati v e R E K LI M i s a r e s e ar c h n et w or k of c o m p et e n c e- dri v- e n m o d ul e s. R E K LI M pr o d u c e s a n d di s s e mi n at e s r e gi o n al cli m at e c h a n g e i nf or m ati o n f or s o ci et al u s e. T h e R E K LI M r e s e ar c h n et w or k w or k s a cr o s s di s ci pli n e s (i n cl u di n g s o ci al s ci e n c e s), m et h o d s a n d c e nt er s, 1 7 a n d a m al g a m at e s r e gi o n al o b s er v ati o n s, pr o c e s s st u di e s a n d c o u pl e d m o d el si m ul ati o n s wit h a f o c u s o n r e gi o n al cli m at e c h a n g e a n d it s r el ati o n s hi p t o h u m a n s. Wit h it s d e c a d e-l o n g e x p eri e n c e i n cr o s s-i n stit uti o n al c oll a b - or ati o n, it s r e s e ar c h t h e m e s 1 8 e n a bl e li n k a g e s a n d s y nt h e s e s wit h a cl e ar f o c u s o n r e gi o n al cli m at e c h a n g e. R el e v a n c e a n d Str at e g y. R E K LI M u nit e s e x c ell e nt s ci e nti st s at v ari o u s c ar e er st a g e s wit h a p arti c ul ar e m p h a - si s o n P h. D. r e s e ar c h er s. It a d dr e s s e s t h e c o m pl et e c h ai n fr o m k n o wl e d g e g e n er ati o n t o a cti o n, e n a bli n g ci vil s o ci et y t o b ett er a p pr o a c h cli m at e miti g ati o n a n d a d a pt ati o n fr o m t h e gr a s sr o ot s. I n v ol v e d P art n er s. A WI ( T 1, T 2, T 4, T 6), F ZJ ( T 1), G E O M A R ( T 2, T 4), G F Z ( T 2, T 5), H Z G ( T 1, T 4, T 5), KI T ( T 1), U F Z ( T 4, T 5, T 9), D L R ( R F A er o n a uti c s, S p a c e Tr a n s p ort; T 1, T 2, T 5), H M G U ( R F H e alt h; T 1, T 9). R E K LI M w a s dir e ctl y f u n d e d wit h 8. 2 5 Mi o. € ( pl u s t h e s a m e a m o u nt mirr or e d i n t h e c e nt er s) p er y e ar fr o m 2 0 0 9 t o 2 0 1 5. T h er e aft er, t h e f u n di n g w a s tr a n sf err e d i nt o c e nt er b u d g et s a n d all o c at e d t o R E K LI M a cti viti e s. A p pr o a c h e s, M et h o d ol o gi e s, M e a s ur e s. R E K LI M h a s d e v el o p e d t o a w ell- b al a n c e d t h e m e d r e s e ar c h n et - w or k. T h e R E K LI M r e s e ar c h t h e m e s r e pr e s e nt c e ntr al a s p e ct s of r e gi o n al cli m at e c h a n g e dir e ctl y li n k e d t o t h e n e w T o pi c s. C o m pl e m e nti n g C C A s i n cl u d e E S M wit h it s f o c u s o n gl o b al si m ul ati o n s, wit h R E K LI M pr o vi di n g a f urt h er r e gi o n aliz ati o n. D E e m p h a siz e s d at a a c q ui siti o n a n d d at a s ci e n c e t h at R E K LI M will t ail or f or f urt h er 1 6 N o u pfr o nt all o c ati o n i n P o F I V. H o w e v er, t h e c e nt er will b e a n i n v ol v e d p art n er. 1 7 S e e htt p s://w w w.r e kli m. d e / e n. 1 8 R E K LI M r e s e ar c h t h e m e s a cr o s s T o pi c s: ‘ Dri v er s a n d c o a st al i m p a ct s of s e a-l e v el ri s e’, ‘ C o u pl e d r e gi o n al m o d eli n g’, ‘ E xtr e m e e v e nt s a cr o s s t e m p or al a n d s p ati al s c al e s’, ‘ At m o s p h eri c c o m p o siti o n i n cl u di n g gr e e n h o u s e g a s e s’, ‘ R e gi o n al c ult ur e s of r e s p o n s e t o cli m ati c c h a n g e’ a n d ‘ L a n d s urf a c e a n d it s f e e d b a c k m e c h a ni s m s’. 1 4 Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’.

P art I: O v er vi e w p ot e nti al of k e y t e c h n ol o gi e s u n d er di fi er e nt s c e n ari o s, a s w ell a s a g ai n st t h e b a c k gr o u n d of t h e s p e ci fi c e c o n o mi c a n d s o ci et al f e a si bilit y at fir st wit h a f o c u s o n n ati o n al s c al e. At t h e s a m e ti m e, i nf or m ati o n a b o ut miti g ati o n p ot e nti al s i n di ff er e nt s e ct or s, C O 2 st or a g e a n d utiliz ati o n p ot e nti al s i n n at ur al a n d arti fi ci al s y st e m s, a n d n e w t e c h n ol o gi e s f or C O 2 - n e utr al s y st e m s ar e alr e a d y a v ail a bl e a n d will b e c o m pil e d a n d a s s e s s e d c o m- pr e h e n si v el y. T hi s will b e c arri e d o ut i n cl o s e i nt er a cti o n wit h st a k e h ol d er s t o d e v el o p c o n si st e nt s c e n ari o s f or t h e r e q uir e d s u b st a nti al c h a n g e s at all l e v el s of s o ci et y i n or d er t o r e a c h n et-z er o b y 2 0 5 0. I n t h e a d a pt ati o n p art, t h e tr e m e n d o u s i m pr o v e m e nt i n s ci e nti fi c all y b a s e d pr o c e s s k n o wl e d g e, t h e i m pr o v e m e nt i n c o m p uti n g p o w er a n d t h e a v ail a bilit y of hi g h- q u alit y d at a fr o m i n n o v ati v e s e n s or s i n s p a c e a n d o n t h e gr o u n d will b e u s e d t o d e v el o p r o b u st Pi ct ur e s- of-t h e- F ut ur e wit h a n u n pr e c e d e nt e d ri c h n e s s a n d r e s ol uti o n. T h e s e s c e n ari o s will c o m bi n e l ar g e- s c al e cli m at e c h a n g e pr oj e cti o n s a n d d et ail e d m ulti- s e ct or al l o c al i m p a ct m o d eli n g t o d e v el o p p o s si bl e c o ur s e s of a cti o n i n G er m a n y a n d E ur o p e. S p e ci al e m p h a si s will b e pl a c e d o n e xtr e m e e v e nt s a n d t h e i d e nti fi c ati o n of e fi e cti v e cr o s s- s e ct or al a d a pt ati o n m e a s ur e s. T h e t hir d el e m e nt i s a s p e ci fl c c o m m u ni c ati o n p a c k a g e, w h er e t a n gi bl e Pi ct ur e s- of-t h e- F ut ur e will b e s h ar e d wit h t h e p u bli c, r a n gi n g fr o m k e y s o ci et al r e p - r e s e nt ati v e s, st a k e h ol d er s of t h e v ari o u s e c o n o mi c s e ct or s a s w ell a s d e ci si o n- m a k er s at E ur o p e a n, n ati o n al, b ut al s o at t h e l o c al l e v el t o d e v el o p c o n cr et e o pti o n s f or a cti o n s. S p e ci al e m p h a si s will b e gi v e n t o a dir e ct a n d r e s p o n si v e di al o g u e wit h t h e i nt er e st e d p u bli c, s p e ci ff c all y y o u n g p e o pl e i nt er e st e d i n cli m at e s ci e n c e a n d cli m at e p oliti c s. I m p ort a nt Pr eli mi n ar y W or k. HI- C A M dr a w s fr o m t h e e x p erti s e of 1 4 di fi er e nt H el m h oltz c e nt er s i n t h e R F s E & E, E n er g y, H e alt h, a n d A er o n a uti c s S p a c e a n d Tr a n s p ort. M or e t h a n 5 0 PI s ar e c o ntri b uti n g a n d c o m m u ni - c ati n g wit hi n t w o w ell- str u ct ur e d pr oj e ct cl u st er s u n d er c e ntr al c o or di n ati o n a n d a n e x e c uti v e-l e v el st e eri n g c o m mitt e e. 2. 1. 3 R e sili e nt Ur b a n S p a c e s wit h R F A er o n a uti c s, S p a c e a n d Tr a n s p ort, R F H e alt h, a n d R F E n er g y | C o or di n at or s: B er n d H a n sj ür g e n s , U F Z; F a bri c e C ott o n, G F Z; H a P e S c h mi d, KI T R u n ni n g Ti m e. A n e w i niti ati v e, st arti n g wit h P o F I V i n 2 0 2 1. Pl a n n e d F T E ( s ci e nti st s) i n P o F I V. N o F T E all o c at e d y et. C h all e n g e s. Citi e s a n d ur b a n ar e a s ar e m aj or dri v er s of gl o b al a n d cli m at e c h a n g e. A s h ot s p ot s of p o p ul ati o n s hift s ( gr o wt h a n d s hri n k a g e), e c o n o mi c d e v el o p m e nt, l a n d t a k e, r e s o ur c e u s e, gr e e n h o u s e g a s e mi s si o n s a n d tr a n s p ort, t h e y ar e p arti c ul arl y v ul n er a bl e t o h az ar d s, di sr u pti v e n at ur al e v e nt s a n d e n vir o n m e nt al c h a n g e. E x- tr e m e e v e nt s a n d c h a n g e pr o c e s s e s a ff e ct ur b a n ar e a s wit hi n cit y b o u n d ari e s, b ut al s o t h eir r el ati o n t o t h e hi n- t erl a n d a n d t h e ur b a n-r ur al n e x u s wit h it s f o o d, w at er a n d e n er g y c o n n e cti o n s. R e s e ar c h t o w ar d s r e sili e nt a n d s u st ai n a bl e citi e s t h u s n e e d s a j oi nt e fl ort of a s y et, fr a g m e nt e d c o m p et e n c e s. T h e c h all e n g e i s t o i d e ntif y ur b a n i n h a bit a nt s’ e x p o s ur e t o a n d c a p a cit y t o c o p e wit h, e xtr e m e e v e nt s, t o a n al yz e e n vir o n m e nt al i m p a ct s o n ur b a n r e sili e n c e a n d citiz e n s’ q u alit y of lif e a n d t o i d e ntif y a n d pr o p o s e p at h w a y s t o w ar d s s u st ai n a bl e ur b a n ar e a s. O bj e cti v e s. T h e o v er all o bj e cti v e i s t o miti g at e ur b a n cli m at e c h a n g e ri s k s a n d i n cr e a s e t h e a d a pti v e c a - p a citi e s a n d r e sili e n c e of ur b a n ar e a s. B a s e d o n e xt e n si v e st u di e s c arri e d o ut e. g., i n L ei pzi g, I st a n b ul, D ar e s S al a a m, a n d S a nti a g o d e C hil e, s p e ci fi c o bj e cti v e s ar e t h e d e v el o p m e nt of pr o p o s al s t h at i) e n a bl e ur b a n s p a c e s t o c o p e wit h m ulti- h az ar d s a n d cli m at e ri s k s, ii) pr o vi d e h e alt h y e n vir o n m e nt s f or t h eir i n h a bit a nt s; a n d iii) d e v el o p n o v el t e c h n ol o gi c al a n d s y st e m s ol uti o n s f or i nfr a str u ct ur e m a n a g e m e nt. R e sili e nt Ur b a n S p a c e s will b e or g a niz e d i n a m o d ul ar s et u p: • • 1 6 H az ar d s a n d ur b a n ri s k s ( G F Z , KI T, G E O M A R, U F Z, H Z G), f o c u si n g o n ti m e- d e p e n d e nt e x p o s ur e ( p o p ul a- ti o n, b uil di n g s, m o bilit y n et w or k s, criti c al f a ciliti e s) a n d v ul n er a bilit y s c h e m e s t h at a c c o m m o d at e c h a n g e s i n t h e n u m b er a n d t y p e of e x p o s e d a s s et s t o f or e c a st t h e f ut ur e i m p a ct of m ulti- h az ar d s o n citi e s. H e alt h y lif e i n a s m art cit y ( U F Z , F ZJ, G F Z, R F H e alt h, H Z G), f o c u si n g o n t h e ur b a n e n vir o n m e nt fr o m a n e c ol o gi c al a n d s o ci et al p er s p e cti v e, wit h ur b a n gr e e n a n d bl u e i nfr a str u ct ur e s, n o v el s o ci et al a d a pt ati o n str at e gi e s a g ai n st cli m at e e xtr e m e s, a n d s o ci et al tr a n sf or m ati o n pr o c e s s e s t o i n cr e a s e a n d m ai nt ai n t h e li v a bilit y of ur b a n ar e a s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’.

P art I: O v er vi e w al s o i n t h e R O MI C fr a m e w or k. T h e h y p er s p e ctr al o b s er v ati o n t e c h ni q u e h a s b e e n si g ni fi c a ntl y i m pr o v e d f or m o nit ori n g E art h s urf a c e c o m p o siti o n ( e. g., s oil a n d mi n er al r e s o ur c e s, a gri c ult ur al a n d n at ur al e c o s y st e m s) i n t h e E n M A P s at ellit e pr o gr a m l e d b y D L R i n cl o s e c oll a b or ati o n wit h G F Z (l a u n c h e arl y 2 0 2 1). T h e s y nt h eti c a p- ert ur e ( S A R) t e c h ni q u e h a s b e e n i m pr o v e d si g ni fi c a ntl y b y D L R a n d t h e R F E & E t o m o nit or d y n a mi c pr o c e s s e s o n t h e E art h’ s s urf a c e ( e. g., t ot al bi o m a s s, s oil m oi st ur e, pr o c e s s e s i n t h e cr y o s p h er e a n d g e o s p h er e). U si n g i n n o v ati v e d at a- h a n dli n g a n d c o m m u ni c ati o n t e c h ni q u e s, hi g h-r e s ol uti o n i m a g e s ( < 1 0 m) of t h e e ntir e gl o b e c a n b e pr o d u c e d e v er y 4. 5 d a y s. 2. 1. 5 G e o e n er g y wit h R F E n er g y | C o or di n at or: Er n st H u e n g e s, G F Z R u n ni n g Ti m e. T h e a cti vit y st art e d i n 2 0 1 3 a n d will r u n t hr o u g h P o F I V. Pl a n n e d F T E ( s ci e nti st s) i n P o F I V. G F Z: 2 2; U F Z: 4; R F E n er g y: 1 2. O bj e cti v e s a n d C h all e n g e s. U p t o 8 0 % of t h e e n er g y d e m a n d f or ur b a n a n d i n d u stri al ar e a s i s r el at e d t o h e ati n g a n d c o oli n g. T h e d e m a n d f or h e ati n g a n d / or c o oli n g fi u ct u at e s a n d c h a n g e s s e a s o n all y. E x c e s s i n t h e s u m m er c a n b e st or e d i n l ar g e v ol u m e s i n t h e s u b s urf a c e a n d pr o vi d e b a s e-l o a d h e at i n t h e wi nt er. ‘ G e o e n er - g y’ f o c u s e s o n t h e d e e p u n d er gr o u n d a s a s o ur c e of a n d st or a g e sit e f or t h er m al e n er g y. It i n cl u d e s st or a g e i n s ali n e a q uif er s a s w ell a s h e at r e c o v er y fr o m gr e at er d e pt h s f or s p a c e h e ati n g, or e v e n f or pr o c e s s h e at a n d p o w er c o n v er si o n. T h e c oll a b or ati o n will al s o c o m bi n e s u b s urf a c e u s e wit h t h e d e si g n of s urf a c e e n er g y i nfr a str u ct ur e a n d d e m a n d. R el e v a n c e a n d Str at e g y. T h e e n er g y s y st e m s hift fr o m f o s sil f u el s t o r e n e w a bl e s r e q uir e s r o b u st, a ff or d a bl e s ol uti o n s f or e n er g y st or a g e o n a l ar g e s c al e. T h e s u b s urf a c e pr e s e nt s t h e l ar g e st, wi d el y a v ail a bl e st or a g e s p a c e a n d all o w s t h e c o m bi n ati o n wit h g e ot h er m al e n er g y pr o vi si o n, w hi c h i s a v ail a bl e a s a b a s e-l o a d h e at s u p pl y. T h e u s e of s u b s urf a c e i n t h e e n er g y s u p pl y s y st e m r e q uir e s m ulti pl e e x p erti s e, i n cl u di n g m at eri al s a n d br o a d e n gi n e eri n g, e x pl or ati o n a n d r e s er v oir t e c h ni q u e s. C a s e st u di e s i n i n d u stri aliz e d ar e a s s u c h a s t h e C a m p u s N ort h of KI T or c o m bi n e d h e at / c o oli n g s y st e m s i n ur b a n ar e a s of B erli n or H a m b ur g will s er v e a s d e m o n str at or s. I n v ol v e d P art n er s. G F Z a n d U F Z ( T 8), KI T ( T 4 of Pr o gr a m II, R F E n er g y). A p pr o a c h e s, M et h o d ol o gi e s, M e a s ur e s. N e w e x pl or ati o n a n d s u b s urf a c e m o nit ori n g a p pr o a c h e s a n d t o ol s will b e d e v el o p e d a n d e xi sti n g m et h o d s f urt h er r e fi n e d t o r e d u c e t h e e n vir o n m e nt al ri s k s a n d t o b ett er c o n - str ai n g e ol o gi c al pr o c e s s e s c o ntr olli n g e n er g y e fi ci e n c y. S urf a c e t e c h n ol o gi e s will b e f urt h er d e v el o p e d t o s u p pl y a n d di stri b ut e t h e e n er g y r eli a bilit y a n d t o i nt e gr at e t h e s u p pl y of g e o e n er g y i nt o t h e e n er g y pr o vi si o n s y st e m. F or t e sti n g t h e s e a p pr o a c h e s a n d t e c h n ol o gi e s, l ar g e- s c al e r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e r e pr e s e nti n g r e s - er v oir c o n diti o n s or d e e p u n d er gr o u n d r e s e ar c h l a b or at ori e s ar e r e q uir e d. It stri v e s, t h er ef or e, t o d e v el o p i nfr a str u ct ur e s t o b ett er c o n str ai n criti c al pr o c e s s e s at f ull s c al e, t o mi ni miz e t h e u n c ert ai nt y of pr o c e s s p a- r a m et er s a n d t o r e d u c e t h e a s s o ci at e d e c o n o mi c a n d e n vir o n m e nt al ri s k s. T h e f o c u s of t h e C A R F G e o e n er g y a s a r e s e ar c h pl atf or m will i n cl u d e b uil di n g p u bli c a c c e pt a n c e of t h e u s e of d e e p u n d er gr o u n d r e s o ur c e s. I m p ort a nt Pr eli mi n ar y W or k. A l o n g- st a n di n g c oll a b or ati o n of t h e p art n er s i n a j oi nt P o F III T o pi c i n cl u d e d d et ail e d d e si g n st u di e s f or d e e p u n d er gr o u n d l a b or at ori e s a n d hi g h-t e m p er at ur e st or a g e a s w ell a s t h e a d - v a n c e m e nt of i nt e gr at e d e x pl or ati o n a n d m o nit ori n g a p pr o a c h e s. 2. 1. 6 M A C E: M ai n str e a mi n g E n vir o n m e nt al A s s e s s m e nt f or C o m pl e x E x p o s ur e wit h R F H e alt h | C o or di n at or s: R olf Alt e n b ur g er, U F Z; J ör g D ur n er, H M G U; Mi c h a el S c hl ot er, H M G U; Ulri c h S c h urr, F ZJ R u n ni n g Ti m e. A n e w i niti ati v e, st arti n g wit h P o F I V i n 2 0 2 1. Pl a n n e d F T E ( s ci e nti st s) i n P o F I V. N o F T E all o c at e d y et. R el e v a n c e a n d Str at e g y. E n vir o n m e nt a n d h u m a n h e alt h ar e cl o s el y li n k e d. T o s e e t h e f ull pi ct ur e, t hi s c o o p- er ati o n wit h t h e R F H e alt h will i) d e fi n e e fi e ct s of gl o b al c h a n g e i m p a ct s o n e c o s y st e m s h e alt h a n d s er vi c e s, ii) d e fl n e t h e e ff e ct t h e s e will h a v e o n h u m a n s ( O N E h e alt h c o n c e pt), iii) i d e ntif y t h e e fi e ct s o n t h e E ur o p e a n bi o- b a s e d e c o n o m y, a n d i v) s u p p ort t h e miti g ati o n of e ff e ct s of f ut ur e cli m at e c h a n g e o n h e alt h a n d e n vir o n m e nt. 1 8 Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’.

P art I: O v er vi e w R el e v a n c e a n d Str at e g y. E xi sti n g m o d el s still h a v e li mit ati o n s i n si m ul ati n g e xtr e m e n at ur al p h e n o m e n a; a n d it h a s b e e n ar g u e d t h at i n cr e a s e s i n r e s ol uti o n m a y pr o vi d e m aj or a d v a n c e s. E x a s c al e c o m p uti n g pr o - vi d e s t h e o p p ort u nit y t o p u s h t h e b o u n d ari e s of r e s ol uti o n. H o w e v er, at t h e s a m e ti m e, e x a s c al e s y st e m s ar e f ar t o o c o m pli c at e d t o b e u s e d i n e xi sti n g s y st e m s. J L- E x a E S M l a y s a f o u n d ati o n t o b e c o m e a n i nt er n ati o n al l e a d er i n t hi s r a pi dl y e m er gi n g r e s e ar c h ar e a of hi g h str at e gi c r el e v a n c e. It will all o w t a ki n g a l e a di n g r ol e i n t h e n ati o n al E art h S y st e m M o d eli n g str at e g y i n G er m a n y a n d t h e E ur o p e a n E xtr e m e E art h i niti ati v e, gi v e n t h at e x a s c al e-r e a di n e s s pl a y s a criti c al r ol e i n b ot h. B y a d o pti n g t h e c o- d e si g n pri n ci pl e, t h e J L- E x a E S M r e s ult s will al s o i n fi u e n c e G er m a n y’ s a n d E ur o p e’ s f ut ur e d e v el o p m e nt of e x a s c al e H P C ar c hit e ct ur e s. Fi n all y, J L- E x a E S M will pr o vi d e a n i m p ort a nt bri d gi n g f u n cti o n b et w e e n t h e H el m h oltz E S M pr oj e ct a n d t h e E S M p artiti o n at J üli c h S u p er c o m p uti n g C e ntr e. I n v ol v e d P art n er s. A WI ( T 1, T 2, T 4, T 6), G E O M A R ( T 2, T 6), H Z G ( T 1, T 4), U F Z ( T 5, T 8), R F I nf or m ati o n ( Pr o gr a m ‘ E n gi n e eri n g Di git al F ut ur e s: S u p er c o m p uti n g, D at a M a n a g e m e nt a n d I nf or m ati o n S e c urit y f or K n o wl e d g e a n d A cti o n’), R F A er o n a uti c s, S p a c e a n d Tr a n s p ort ( Pr o gr a m ‘ S p a c e’). A p pr o a c h e s, M et h o d ol o gi e s, M e a s ur e s. J L- E x a E S M a d dr e s s e s q u e sti o n s of vit al i m p ort a n c e t o g e n er at e a st e p- c h a n g e i n o ur a bilit y t o d o E art h s y st e m m o d eli n g o n n e xt- g e n er ati o n, e x a s c al e hi g h- p erf or m a n c e c o m - p uti n g s y st e m s a n d t o e n a bl e g e o s ci e nti st s t o h a n dl e a n d a n al yz e a s s o ci at e d bi g d at a. T h e pr oj e ct will e x pl or e n o v el s oft w ar e c o n c e pt s ( e. g., m o d el d w arf s, a s y n c hr o n o u s s c h e d uli n g), a d dr e s s e m er gi n g I T i s s u e s ( e. g., hi er ar c hi c al d at a st or a g e a n d i nt er a cti v e s u p er c o m p uti n g), a n d it will utiliz e m a c hi n e l e ar ni n g i n m o d eli n g. T h e p art n er s hi p will all o w e x pl oiti n g n o v el i nf or m ati o n a n d d at a s ci e n c e m et h o d s a n d t o ol s t o l a y t h e f o u n d ati o n f or n e xt- g e n er ati o n E art h s y st e m m o d el s. I m p ort a nt Pr eli mi n ar y W or k. T h e J L- E x a E S M b uil d s o n t h e r e c e ntl y a w ar d e d I n c u b at or pr oj e ct Pil ot L a b E x - a E S M, w hi c h will i niti at e t h e n o v el c oll a b or ati o n a m o n g s ci e nti st s wit h e x p erti s e i n c o m p ut er s ci e n c e, m o d el - i n g a n d si m ul ati o n, d at a a n al yti c s, a n d E art h S y st e m S ci e n c e s. T h e p art n er s h a v e a l o n g e x p eri e n c e i n r u n ni n g E art h s y st e m m o d el s, i n m a n u al e x e c uti o n of l ar g e- s c al e w or k fi o w s o n di stri b ut e d c o m p ut er s, a n d i n o p er ati n g w orl d- cl a s s H P C f a ciliti e s. 2. 1. 8 B m E: Bi o e c o n o m y m e et s E n er g y wit h R F E n er g y | C o or di n at or: Uli S c h urr , F ZJ R u n ni n g Ti m e. T h e a cti vit y st art e d i n 2 0 0 5 a n d will r u n t hr o u g h P o F I V. Pl a n n e d F T E ( s ci e nti st s) i n P o F I V. F ZJ: 4. 5; U F Z: 3; R F E n er g y: 4. 5. O bj e cti v e s a n d C h all e n g e s. Bi o m a s s will h a v e a n i m p ort a nt r ol e i n a f ut ur e cir c ul ar e c o n o m y a s a s o ur c e of m at eri al s a n d e n er g y. T h e s u st ai n a bl e a n d e c o n o mi c all y vi a bl e utiliz ati o n of bi o m a s s will b e i nt e gr at e d i nt o a bi o e c o n o m y a p pr o a c h d e v el o p e d j oi ntl y b y t h e t w o R F s. W e will st u d y n o v el pr o c e s s e s, pr o c e s s c h ai n s a n d pr o d u ct s u si n g h y bri d a p pr o a c h e s b y c o m bi ni n g, e. g., bi o c h e mi c al, ( bi o) el e ctr o c h e mi c al, c h e m o- c at al yti c, el e ctr o- c at al yti c, t h er m o- a n d p h ot o c h e mi c al pr o c e s s e s. S p e ci fi c o bj e cti v e s ar e t o pr o vi d e s p ati al e x pli cit r e - n e w a bl e e n er g y, c h e mi str y a n d bi o m a s s o pti o n s a n d a s s e s s m e nt s i n cl u di n g i) lif e- c y cl e b a s e d a s s e s s m e nt of e c ol o gi c al, e c o n o mi c a n d s o ci al s u st ai n a bilit y a s p e ct s a n d ii) t h e a n al y si s of tr a d e- o ff s a n d c o n fii cti n g t ar g et s fr o m a s y st e mi c vi e w. R el e v a n c e a n d Str at e g y. Cir c ul ar e c o n o m y a p pr o a c h e s i n t h e R F E n er g y Pr o gr a m M at eri al s a n d Pr o c e s s e s f or t h e E n er g y Tr a n siti o n ( M T E T) r e q uir e o ur c oll a b or ati o n t o pr o d u c e f e e d st o c k s u st ai n a bl y a n d t o o pti miz e q u alit y s p e ci fi c all y t o t h e di v er s e utiliz ati o n a n d c o n v er si o n p at h w a y s. W e will j oi ntl y o pti miz e, e. g., p er e n ni al cr o p s, al g al str ai n s a n d t h eir pr o d u cti o n s y st e m s, a n d d e v el o p d e di c at e d pr o c e s s e s f or t h eir pr etr e at m e nt a n d c o n v er si o n. O pti mizi n g c y cli c n utri e nt fi o w s i nt e gr ati n g f e e d st o c k, bi or e fi n eri e s a n d r e c y cli n g of n utri e nt s i nt o f e e d st o c k pr o d u cti o n i s al s o a u ni q u e o p p ort u nit y. S y n g a s f er m e nt ati o n at KI T will b e e xt e n d e d b y a c ar b o x yl- at e pl atf or m e st a bli s h e d at U F Z. T h er m o c h e mi c al c o n v er si o n of bi o m a s s will b e i nt erli n k e d wit h f er m e nt ati o n pr o c e s s e s i n t h e R F E & E. I nf or m ati o n will b e li n k e d t o e n er g y s y st e m a n al y si s i n cl u di n g wi n d, s ol ar a n d bi o - m a s s a n d t h e e x p e ct ati o n o n bi of u el s f or di fl er e nt a p pli c ati o n s. I n v ol v e d P art n er s. U F Z ( T 5, T 7), F ZJ ( T 7 a n d R F E n er g y, Pr o gr a m s ‘ E n er g y S y st e m D e si g n’, E S D, a n d M T E T), KI T ( R F E n er g y, Pr o gr a m s M T E T a n d E S D). 2 0 Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’.

P art I: O v er vi e w t h e s c o p e of A R C H E S al s o i n cl u d e s t h e i nt elli g e nt a ut o m ati o n a n d c o o p er ati o n of r o b oti c s y st e m s. B ot h of t h e s e a s p e ct s ar e e s s e nti al c o n si d eri n g t h e i m p ort a n c e of st a n d al o n e r o b ot s a n d r o b ot t e a m s i n b ot h r e g ar d- e d a p pli c ati o n s a n d d o m ai n s: d e e p s e a a n d s p a c e. T h e pr oj e ct ai m s t o d e v el o p c o m m o n s ol uti o n s f or t h e c h all e n g e s m e nti o n e d e arli er a n d will e st a bli s h cr o s s- d o m ai n i nt erf a c e s. T h e ai m i n A R C H E S a n d f or P o F I V i s f urt h er t o d e v el o p a n d d e pl o y l o n g-t er m o c e a n o b s er v at or y n et w or k s t h at r e c or d a n d f u s e d at a fr o m t h e at m o- s p h er e t hr o u g h t h e s e a i c e a n d w at er c ol u m n, a n d ulti m at el y t o t h e s e a fi o or. T h e s ci e nti fi c g o al i s t o d et er mi n e m aj or dri v er s a n d c a u s al r el ati o n s hi p s of p h y si c al f or ci n g s, f a u n al di stri b uti o n a n d bi o g e o c h e mi c al pr o c e s s e s. R el e v a n c e a n d Str at e g y. T h e i m p ort a n c e of r o b oti c s f or i n d u str y a n d s ci e n c e i s c o nti n u o u sl y gr o wi n g. I n t h e l o n g r u n, r o b oti c s y st e m s will b e c o m e i n di s p e n s a bl e f or m o d er n s o ci eti e s a s a n o m ni pr e s e nt a n d tir el e s s w or k p o w er r e s o ur c e a n d a ut o n o m o u s r o b ot n et w or k s will b e c o m e a k e y t e c h n ol o g y. I n p arti c ul ar, s ol vi n g t a s k s li k e m o nit ori n g a n d u n d er st a n di n g t h e o c e a n e n vir o n m e nt or e x pl or ati o n of t h e s ol ar s y st e m will str o n gl y d e p e n d o n t h e d e pl o y m e nt of a ut o n o m o u s a n d n et w or k e d r o b oti c s y st e m s. T h e y will pr o vi d e t h e r e q uir e d c a p a biliti e s f or c o nti n u o u s, l o n g-t er m, a n d l ar g e- s c al e d at a r e c or di n g a s w ell a s f or m a - ni p ul ati o n a n d dir e ct i nt er a cti o n wit h t h e s urr o u n di n g s. R o b ot s all o w m o nit ori n g a n d o bj e ct m a ni p ul ati o n o n a l ar g e s c al e i n h ar s h a n d v a st e n vir o n m e nt s. A c c or di n gl y, a r o b ot n et w or k will b e cr e at e d wit hi n t hi s pr oj e ct, w hi c h a ct s a s a n e n h a n c e m e nt of h u m a n p er c e pti o n a n d a s a n e xt e n d e d ar m f or h u m a n m a ni p ul ati o n. I n v ol v e d P art n er s. A WI ( T 6), G E O M A R ( T 2), KI T ( R F E n er g y, Pr o gr a m s N U S A F E & ‘ A ut o n o m o u s S y st e m s’), C o or di n at or: D L R ( R F A er o n a uti c s, S p a c e a n d Tr a n s p ort, Pr o gr a m ‘ S p a c e’). A p pr o a c h e s, M et h o d ol o gi e s, M e a s ur e s. N et w or k s of r o b oti c s y st e m s will b e d e v el o p e d t h at f ul fill t h e r e- q uir e m e nt s f or r o b u st n e s s a n d r eli a bilit y c h ar a ct eri sti c f or t h e d o m ai n s. T h e e xi sti n g h ar d w ar e pl atf or m s c o n - si sti n g of c o n ff g ur a bl e c arri er s y st e m s a s w ell a s m o d ul e s of s e n s or s a n d m a ni p ul at or s t h at ar e i nt er c h a n g e - a bl e f or a p pli c ati o n s i n di fi er e nt s y st e m s a n d d o m ai n s will b e cr o s s- v ali d at e d. T h at w a y, t h e g o al of cr e ati n g s y n er gi e s wit hi n t h e n et w or k of e x p erti s e will b e r e aliz e d. O n t h e w a y t o f ull y u n d er st a n d n at ur al v ari a bilit y a s w ell a s t h e i m p a ct of h u m a n a cti viti e s o n t h e o c e a n s a n d t h eir c o n s e q u e n c e s f or t h e m ari n e e c o s y st e m, a n d t h e s y st e m ‘ E art h’ a s a w h ol e, h u m a nit y f a c e s s u b st a nti al c h all e n g e s. T o r e s ol v e t h e li n k a g e s a n d t o di sti n g ui s h b et w e e n a nt hr o p o g e ni c a n d n at ur al c a u s e s a s w ell a s t o a c c o u nt f or a hi g hl y v ari a bl e s y st e m i n s p a c e a n d ti m e, c o o p er ati n g n et w or k s of r o b oti c a n d s y n c hr o niz e d a ut o n o m o u s m ulti pl e s e n s or s y st e m s ar e n e e d e d. F urt h er a p pli c ati o n s i n ot h er fi el d s li k e m e di ci n e, r e h a bilit ati o n, l o gi sti c s a n d ur b a n tr a n s p ort ati o n will b e n e fit fr o m t h e f u n d a m e nt al c o n c e pt s d e v el o p e d i n A R C H E S. I m p ort a nt Pr eli mi n ar y W or k. A R C H E S b uil d s o n t h e s u c c e s sf ul H el m h oltz Alli a n c e ‘ R o b oti c E x pl or ati o n of E xtr e m e E n vir o n m e nt s – R O B E X’ ( 2 0 1 2 – 2 0 1 7 ). R O B E X br o u g ht t o g et h er t h e w orl d’ s fir st i nt e gr at e d s p a c e a n d d e e p- s e a r e s e ar c h gr o u p. Si xt e e n i n stit uti o n s fr o m all o v er G er m a n y j oi ntl y d e v el o p e d t e c h n ol o gi e s t o i m pr o v e t h e e x pl or ati o n of e xtr e m e e n vir o n m e nt s s u c h a s t h e d e e p s e a, p ol ar r e gi o n s, t h e m o o n a n d ot h er c el e sti al b o di e s. T h e s e t e c h n ol o gi e s w er e s u c c e s sf ull y d e m o n str at e d d uri n g t w o ‘ D e m o n str ati o n Mi s si o n s’ (f or t h e m a - ri n e s ci e n c e o n P ol ar st er n n e ar S pit s b er g e n a n d t h e s p a c e s ci e n c e a s M o o n- A n al o g u e Mi s si o n o n M o u nt Et n a). 2. 2 Cr o s s- T o pi c A cti viti e s ( C T A s) 2. 2. 1 M O S E S: M o d ul ar O b s er v ati o n S ol uti o n s f or E art h S y st e m s C o or di n at or: Ut e W e b er, R F E & E wit h c o ntr a ct at U F Z R u n ni n g Ti m e. I m pl e m e nt ati o n p h a s e 2 0 1 7 – 2 0 2 1; r e g ul ar o p er ati o n st art s i n 2 0 2 2. Pl a n n e d F T E ( s ci e nti st s) i n P o F I V. A WI: 2; F ZJ: 2; G E O M A R: 1; G F Z: 2. 5; H Z G: 3; KI T: 4; U F Z: 9. O bj e cti v e s a n d C h all e n g e s. M O S E S i s a n e w o b s er vi n g s y st e m d e v el o p e d b y t h e R F E & E. It c o m pri s e s hi g hl y fl e xi bl e a n d m o bil e o b s er v ati o n m o d ul e s w hi c h ar e s p e ci ff c all y d e si g n e d t o u nr a v el t h e i m p a ct of s h ort-t er m e v e nt s o n t h e l o n g-t er m d e v el o p m e nt of E art h a n d e n vir o n m e nt al s y st e m s. Hi g hl y d y n a mi c e v e nt s s u c h a s h e at w a v e s a n d dr o u g ht s, h y dr ol o gi c e xtr e m e s, a br u pt p er m afr o st t h a w a n d o c e a n e d di e s ar e i n t h e f o c u s 2 2 Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’.

P art I: O v er vi e w st a n di n g of t h e f u n cti o ni n g of t err e stri al s y st e m s a n d t h e c o m pl e x i nt er a cti o n s a n d f e e d b a c k m e c h a ni s m s b et w e e n t h eir di fi er e nt c o m p art m e nt s. S e v er al of t h e T E R E N O o b s er v at ori e s h o st l ar g e- s c al e i nfr a str u ct ur e s s u c h a s I C O S a n d t h e C Z O s ( Criti c al Z o n e O b s er v at ori e s). T h e e xt e n si o n of t h e T E R E N O i nt e gr at e d o b s er v at or y c o n c e pt s t o E ur o p e a n s c al e will b e a c hi e v e d t hr o u g h t h e r e c e ntl y a p pr o v e d E S F RI i nfr a str u ct ur e pr oj e ct e L T E R f or w hi c h T E R E N O s er v e d a s a bl u e pri nt. I m p ort a nt Pr eli mi n ar y W or k. T E R E N O h a s b e e n i n o p er ati o n si n c e 2 0 0 8 a n d will b e c o nti n u e d i n P o F I V. 2. 2. 3 E S M: A d v a n c e d E art h S y st e m M o d eli n g C a p a cit y C o or di n at or: T h o m a s J u n g, A WI R u n ni n g Ti m e. 2 0 1 7 – 2 0 2 1, s h all b e c o nti n u e d i n P o F I V. Pl a n n e d F T E ( s ci e nti st s) i n P o F I V. A WI: 4. 5; F ZJ: 4. 5; G E O M A R: 4. 5; G F Z: 4. 5; H Z G: 4; KI T: 5; U F Z: 6; D L R ( R F A er o n a uti c s, S p a c e a n d Tr a n s p ort): 4. 5. O bj e cti v e s a n d C h all e n g e s. H u m a n s o ci et y i s f a ci n g a gr o wi n g n u m b er of c h all e n g e s, s u c h a s miti g ati o n a n d a d a pt ati o n t o cli m at e c h a n g e a n d e xtr e m e s, s e c uri n g f o o d pr o d u cti o n f or a gr o wi n g p o p ul ati o n a n d s u st ai ni n g e c o s y st e m s er vi c e s a n d t h e pr o vi si o n of bi o- a n d g e or e s o ur c e s. W e t h u s n e e d t o d e v el o p t o ol s t h at pr o vi d e d e - ci si o n- m a k er s wit h t h e i nf or m ati o n r e q uir e d t o e fi e cti v el y m a n a g e t h e o p p ort u niti e s a n d ri s k s t h at c o m e wit h t h e s e c h a n g e s. M o d eli n g i s s u c h a t o ol, a s it e n a bl e s i n v e sti g ati n g pr o bl e m s i n a n i nt e gr at e d m a n n er i n cl u di n g i nt er a cti o n s b et w e e n di fi er e nt E art h s y st e m c o m p art m e nt s a n d a cr o s s s c al e s – fr o m l o c al t o gl o b al s c al e s, a n d fr o m s h ort w e at h er t o mill e n ni a a n d l o n g er ti m e s c al e s. T h e o v er all o bj e cti v e of E S M i s t o d e v el o p a n d a p pl y i n n o v ati v e E art h s y st e m m o d eli n g c a p a cit y t h at e n a bl e s t h e s ci e nti ff c c o m m u nit y t o c o ntri b ut e t o s ol vi n g s o m e of t h e gr a n d c h all e n g e s h u m a nit y i s f a ci n g. M or e s p e ci fi c s ci e nti fi c o bj e cti v e s i n cl u d e i) i m pr o v e m e nt s i n t h e r e pr e s e nt ati o n of k e y pr o c e s s e s i n m o d el s, ii) e st a bli s h m e nt of a c o or di n at e d a p pr o a c h t o w ar d s c o u- pli n g E art h s y st e m m o d el c o m p art m e nt s, a n d i n cl u d e n e w c o m p art m e nt s, iii) d e v el o p m e nt of c o m m o n d at a a s si mil ati o n c a p a cit y, a n d i v) c o or di n ati o n of si m ul ati o n s i n s u p p ort of t h e w h ol e Pr o gr a m ( s o- c all e d ‘fr o nti er si m ul ati o n s’). A str at e gi c o bj e cti v e i s t h e d e v el o p m e nt of a l o n g-t er m m o d eli n g str at e g y, i n cl u di n g h ar m o niz a - ti o n of m o d eli n g a cti viti e s wit hi n H el m h oltz. R el e v a n c e a n d Str at e g y. M o d eli n g all o w s t h e a d diti o n of a str o n g o ut c o m e-r el at e d c o m p o n e nt t o t h e Pr o- gr a m b y f a cilit ati n g pr e di cti o n s a n d pr oj e cti o n s. M o d el s c a n al s o b e u s e d t o e x pl or e o pti o n s a n d a d v a n c e r e s e ar c h, f or e x a m pl e b y s u p p orti n g e fi e cti v e m o nit ori n g ( S m art M o nit ori n g i n C T A Di git al E art h) a n d b y pr o - vi di n g g ui d a n c e f or t h e d e si g n of o b s er vi n g s y st e m s a n d i n s u p p ort of t ar g et e d fi el d c a m p ai g n s ( e. g., C T A M O S E S). E S M will e n a bl e a st e p- c h a n g e i n o ur m o d eli n g c a p a biliti e s. It will b e d oi n g s o t hr o u g h i n cr e a s e d i n v e st m e nt s i n m o d eli n g, b y e x pl oiti n g s y n er gi e s b et w e e n t h e di fl er e nt c e nt er s a n d b y s h ari n g i m p ort a nt m o d eli n g i nfr a str u ct ur e s. E S M i s t h e ffr st o ut of t hr e e pill ar s of H el m h oltz t o str e n gt h e n t h e fi el d of m o d eli n g, t h e s e c o n d a n d t hir d b ei n g t h e d e di c at e d E art h s y st e m m o d eli n g p artiti o n at J üli c h S u p er c o m p uti n g C e nt er s, a n d C A R F J L- E x a E S M, r e s p e cti v el y. E S M will al s o b e t h e pl atf or m f or str at e gi c di s c u s si o n s wit h ot h er m o d eli n g gr o u p s at t h e n ati o n al a n d i nt er n ati o n al l e v el. I n v ol v e d P art n er s. A WI ( T 1, T 2, T 4, T 6); F ZJ ( T 1, T 7); G E O M A R ( T 2, T 6); G F Z ( T 2, T 3, T 8); H Z G ( T 1, T 4); KI T ( T 1); U F Z ( T 5, T 8); D L R ( R F A er o n a uti c s, S p a c e a n d Tr a n s p ort). A p pr o a c h e s, M et h o d ol o gi e s, M e a s ur e s. I n E S M, w e i m pr o v e t h e r e pr e s e nt ati o n of k e y pr o c e s s e s i n E art h s y st e m m o d el c o m p art m e nt s f or w hi c h t h e p art n er s h a v e pr o v e n e x p erti s e. W e al s o d e v el o p, t e st a n d a p pl y fr a m e w or k s t h at c a n b e u s e d f or e ff ci e ntl y bri n gi n g di fl er e nt m o d el c o m p o n e nt s t o g et h er ( e. g., E S M- T o ol s). F urt h er m or e, w e will d e v el o p a n d u s e a c o m m o n d at a a s si mil ati o n fr a m e w or k ( e. g., e m pl o yi n g t h e P ar all el D at a A s si mil ati o n Fr a m e w or k, P D A F) t o e fi e cti v el y c o m bi n e m o d el s a n d o b s er v ati o n s. M or e o v er, p art n er s will c arr y o ut c o or di n at e d fr o nti er si m ul ati o n s t h at will b e m a d e a v ail a bl e t o t h e s ci e nti st s i n t h e di fi er e nt T o pi c s f or p u s hi n g t h e b o u n d ari e s of e xi sti n g k n o wl e d g e. Fi n all y, E S M will al s o pr o vi d e t h e fr a m e w or k f or t h e str at e gi c d e v el o p m e nt of m o d eli n g a cti viti e s i n H el m h oltz i n v ol vi n g criti c al e xt er n al p art n er s ( e. g., M a x Pl a n c k I n stit ut e f or M et e or ol o g y, D W D, a n d t h e G e o. X h u b2 0 ). 2 0 S e e htt p s://w w w. g e o- x. n et. 2 4 Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’.

P art I: O v er vi e w of e xtr e m e v al u e di stri b uti o n s, w e at h er a n d cli m at e e xtr e m e s ar e e x p e ct e d t o i n cr e a s e di s pr o p orti o n at el y i n t h e f ut ur e, al o n g wit h f urt h er u p w ar d s hift s, e. g., i n m e a n t e m p er at ur e, o c e a n a ci di fi c ati o n, or o x y g e n d e fi ci e n- c y. M or e o v er, s o ci eti e s ar e b e c o mi n g i n cr e a si n gl y v ul n er a bl e a s a r e s ult of gr o wi n g gl o b aliz ati o n a n d ur b a niz a - ti o n, t h e i n cr e a si n g d e p e n d e n c e a n d d e gr e e of p e n etr ati o n of criti c al i nfr a str u ct ur e s, a n d t h e c o n c e ntr ati o n of a s s et s i n h az ar d- e x p o s e d r e gi o n s. T h e i m p a ct of e xtr e m e s c a n e v e n b e s u b st a nti all y a g gr a v at e d d e p e n di n g o n t h e t e m p or al s e q u e n c e of t h e e v e nt s s u c h a s i) h az ar d s o c c urri n g si m ult a n e o u sl y (‘ c o m p o u n d e v e nt s’), ii) e v e nt s t h at tri g g er s u b s e q u e nt e v e nt s (‘ c a s c a di n g e fi e ct s’), a n d iii) s eri e s of h az ar d o u s e v e nt s a ff e cti n g t h e s a m e r e gi o n ( d a y s t o w e e k s; ‘ s eri al cl u st eri n g’). Alt h o u g h t h e s e di fi er e nt t y p e s of m ulti- h az ar d s c a n h a v e a d a m a g e p ot e nti al t h at g o e s f ar b e y o n d w h at h a s b e e n e x p eri e n c e d s o f ar, t h e y h a v e o nl y b e e n e x a mi n e d m ar gi n all y, a n d t h eir dri v er s ar e p o orl y u n d er st o o d. I n t h e c o nt e xt of e n vir o n m e nt al c h a n g e s a n d m ari n e lif e it i s l ar g el y u n k n o w n h o w s p e ci e s a n d c o m m u niti e s r e a ct, ar e r e sili e nt t o, a n d m a y r e c o v er fr o m, e. g., s e a s urf a c e t e m p er at ur e e xtr e m e s, r el at e d m a s s c or al bl e a c hi n g a n d m a cr o al g a e di e- o fi s. Wit hi n a m ulti- h az ar d a n d h oli sti c ri s k fr a m e w or k T 1 f o c u s e s o n h e at w a v e s, st or m s a n d h ail, T 2 o n cli m at e e xtr e m e s a n d r e m ot e dri v er s, T 3 o n g e o- h az ar d s ( e art h q u a k e, v ol c a ni c er u pti o n s, t s u n a mi, l a n d sli d e s), T 4 o n c o a st al citi e s at ri s k, T 5 o n ri v eri n e fi o o di n g a n d dr o u g ht s, T 6, o n m ari n e h az ar d s, T 7 a d dr e s s e s a s p e ct s of e xtr e m e w e at h er i n r el ati o n t o cr o p s a n d cr o p m a n a g e m e nt, a n d T 9 e x a mi n e s alt er e d e x p o s ur e p att er n s r e - s ulti n g fr o m fi o o di n g. I n v ol v e d P art n er s. A WI ( T 2), F ZJ ( T 7), G E O M A R ( T 2, T 6), G F Z ( T 2, T 3), H Z G ( T 4), KI T ( T 1), U F Z ( T 5, T 9). A p pr o a c h e s, M et h o d ol o gi e s, M e a s ur e s. N e w c o n c e pt s f or m o d eli n g t h e d y n a mi c s of m ulti- h az ar d e v e nt s will b e a d dr e s s e d, m a ki n g u s e of l ar g e d at a ar c hi v e s a v ail a bl e i n all T o pi c s, i n cl u di n g o p e n- a n d cr o w d- s o ur c e d d at a, c o m bi n e d wit h hi g h-r e s ol uti o n cli m at e m o d eli n g. I m p ort a nt Pr eli mi n ar y W or k. KI T a n d G F Z h a v e d e v el o p e d s e v er al si n gl e- a n d m ulti- h az ar d a n d ri s k a p - pr o a c h e s ( e. g., Ri s k E x pl or er a n d F or e n si c Di s a st er A n al y si s i n t h e C e nt er f or Di s a st er M a n a g e m e nt a n d Ri s k R e d u cti o n T e c h n ol o g y, C E DI M) a n d ri s k m o d el s ( wi n d st or m, h ail, fl o o d s, e art h q u a k e), o p er ati o n all y a p pli e d i n t h e i n s ur a n c e i n d u str y, a n d E U F P 7 s u p p ort e d pr oj e ct M A T RI X ( M ulti- H az ar d a n d M ulti- Ri s k A s s e s s m e nt M et h o d s f or E ur o p e). 2. 3 Alli a n c e s 2. 3. 1 D A M: D e ut s c h e Alli a n z f ür M e er e sf or s c h u n g – G er m a n Alli a n c e of M ari n e R e s e ar c h C o or di n at or s: P et er H er zi g, G E O M A R; K ar st e n W urr, A WI R u n ni n g Ti m e. A n e w i niti ati v e, f o u n d e d i n 2 0 1 9. Pl a n n e d F T E ( s ci e nti st s) i n P o F I V. N o F T E all o c at e d y et. O bj e cti v e s a n d C h all e n g e s. T h e m ari n e r e s e ar c h i n stit uti o n s i n G er m a n y (i n cl u di n g t h e H el m h oltz A s s o ci a- ti o n, t h e L ei b niz A s s o ci ati o n, t h e M a x Pl a n c k S o ci et y, a n d u ni v er siti e s) f o u n d e d t h e G er m a n M ari n e R e s e ar c h Alli a n c e e. V. ( D A M) i n J ul y 2 0 1 9. D A M will i nt e gr at e m ari n e e x p erti s e, i nfr a str u ct ur e a n d d at a m a n a g e m e nt wit h t h e o bj e cti v e t o t a c kl e l ar g e s o ci et al r el e v a nt q u e sti o n s f or pr ot e cti o n a n d s u st ai n a bl e u s e of t h e o c e a n a n d s e a s. I n t h e c o nt e xt of D A M, all ff el d s of m ari n e, c o a st al a n d p ol ar s ci e n c e ar e c o n si d er e d. D A M h a s f o ur m ai n ar e a s of o p er ati o n t o i m pr o v e s y n er gi e s a m o n g n ati o n al m ari n e r e s e ar c h gr o u p s i n all di s ci pli n e s: r e - s e ar c h mi s si o n s, d at a m a n a g e m e nt, i nfr a str u ct ur e a n d k n o wl e d g e tr a n sf er. R el e v a n c e a n d Str at e g y. T h e Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h’ h a s a k e y r ol e i n all af or e m e nti o n e d D A M ar e a s. T h e i n- t e gr at e d a p pr o a c h e s t o m ari n e r e s e ar c h t h at ar e r e q uir e d t o u n d er st a n d a n d a d dr e s s c h all e n g e s i n m ari n e s y s- t e m s d e m a n d t h e ali g n m e nt of all e x p erti s e a v ail a bl e i n m ari n e r e s e ar c h. T h e D A M r e s e ar c h mi s si o n s will bri n g r el at e d i nf or m ati o n fr o m all p art n er i n stit uti o n s i nt o a n o v er ar c hi n g c o n si d er ati o n a n d t h u s e n h a n c e t h e s c o p e of t h e Pr o gr a m. Str at e gi e s f or c o m m o n u s e, fi n a n ci n g a n d o p er ati o n of m ari n e i nfr a str u ct ur e s will b e d e v el o p e d wit hi n D A M. Tr a n sf er of k n o wl e d g e, li n k s t o st a k e h ol d er s a n d c a p a cit y b uil di n g i n D A M will f o c u s o n t h e t h e m e s of t h e r e s e ar c h mi s si o n s a n d s u p pl e m e nt t h e a cti viti e s of t h e m e m b er i n stit uti o n s, i n cl u di n g a d diti o n al f u n di n g. I n v ol v e d P art n er s. A WI, G E O M A R, H Z G, C e nt er f or E art h S y st e m R e s e ar c h & S u st ai n a bilit y, U ni v er sit y H a m- 2 6 Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’.

T o pi c 1: T h e At m o s p h er e i n Gl o b al C h a n g e S p o k e s p er s o n s: H a P e S c h mi d, KI T; J o h a n n e s Or p h al, KI T T o pi c 1 a d dr e s s e s t hr e e r e s e ar c h ar e a s of s o ci et al r el e v a n c e f or t h e At m o s p h er e i n Gl o b al C h a n g e: Air Q u alit y, Cli m at e F e e d b a c k s, a n d F ut ur e W e at h er a n d E xtr e m e s. K n o wl e d g e i n t h e s e ar e a s pr o - vi d e s g ui d a n c e t o a s s e s s a d a pt ati o n a n d miti g ati o n m e a s ur e s a s w e a p pr o a c h t h e 1. 5 ° C gl o b al w ar mi n g li mit. W e will d e v el o p o b s er v ati o n al a n d m o d eli n g s ol uti o n s f or i m pr o v e d at m o s p h eri c pr e di cti o n s a n d r e gi o n al cli m at e pr oj e cti o n s at u n pr e c e d e nt e d r e s ol uti o n, i n a ‘ w h ol e at m o s p h er e’ a p pr o a c h, t o a d dr e s s e ntir e pr o c e s s- a n d e v e nt c h ai n s fr o m t h e dri v er s of gl o b al c h a n g e or e xtr e m e e v e nt s t o t h eir r a mi fi c ati o n s f or air q u alit y, w at er r e s o ur c e s, gr e e n h o u s e g a s b u d g et s, l a n d u s e c h a n g e, e c o s y st e m vi a bilit y, a n d t h e ri s k of m or e e xtr e m e w e at h er i n a w ar m er w orl d. A s p art of o ur i nt er n ati o n al b e n c h m ar ki n g str at e g y, w e f o st er o p e n e x c h a n g e a n d c oll a b or ati o n wit h t h e b e st at m o s p h eri c a n d cli m at e r e s e ar c h t e a m s gl o b all y. A) S c o p e a n d c h all e n g e of t h e T o pi c R e s e ar c h s u bj e ct. T h e at m o s p h er e i s E art h’ s t hi n pr ot e cti v e l a y er t h at s hi el d s u s fr o m h ar mf ul r a di ati o n, m o d er at e s t e m p er at ur e di fi er e n c e s a n d r e di stri b ut e s e n er g y, w at er, a n d p oll ut a nt s: m o st lif e d e p e n d s o n it. B ut t hi s pr ot e cti v e f u n cti o n of t h e at m o s p h er e i n v ol v e s d eli c at e b al a n c e s a n d i s s u s c e pti bl e t o gl o b al c h a n g e of cli m at e a n d l a n d u s e. T h e pri m ar y dri v er s of cli m at e c h a n g e ar e t h e r a di ati v e e fi e ct s of gr e e n h o u s e g a s e s ( G H G) a n d of a er o s ol s, w hi c h a ff e ct t h e c o m p o siti o n a n d i n n er w or ki n g s of t h e at m o s p h er e, a n d all a dj a c e nt E art h s y st e m c o m p art m e nt s. T h e str o n g e st gl o b al cli m at e miti g ati o n e fi e ct i s a c hi e v e d b y l a n d e c o s y st e m s, b ut t hr o u g h f e e d b a c k m e c h a ni s m s, t h e y ar e t h e m s el v e s v ul n er a bl e t o cli m at e c h a n g e, a n d l a n d u s e c h a n g e al s o c a u s e s e mi s si o n s. T o pi c 1 ( T 1) c o ntri b ut e s t o s e a ml e s s o b s er v ati o n al a n d m o d eli n g c a p a biliti e s t o u nr a v el t h e c o m pl e x i nt er a cti o n s b et w e e n t h e at m o s p h er e, t h e l a n d s urf a c e, a n d t h e o c e a n u n d er cli m at e c h a n g e. T h e f o c al t h e m e s ar e ‘ Air Q u alit y’, ‘ Cli m at e F e e d b a c k s’, a n d ‘ F ut ur e W e at h er a n d E xtr e m e s’. Pr o gr e s s i n t h e s e ar e a s i s of t o p m o st r el e v a n c e f or r eli a bl y a s s e s si n g t h e st at e of t h e E art h s y st e m, a n d f or pr e di cti n g a n d pr oj e cti n g gl o b al c h a n g e i m p a ct s o n o ur f ut ur e li vi n g c o n diti o n s. E x pl a n ati o n a n d j u sti fi c ati o n of r e s e ar c h. Cli m at e- a n d w e at h er-r el at e d e n vir o n m e nt al ri s k s (i. e., e xtr e m e w e at h er e v e nt s, n at ur al di s a st er s, a n d f ail ur e of cli m at e c h a n g e miti g ati o n a n d a d a pt ati o n) r a n k i n t h e t o p f o ur gl o b al ri s k s t o s o ci et y ( b y li k eli h o o d a n d w orl d wi d e i m p a ct; G R R T 2 0 1 9). 1 6 Ur g e nt a cti o n f or cli m at e miti g ati o n a n d a d a pt ati o n i s n e c e s s ar y wit hi n t h e n e xt d e c a d e t o pr e v e nt gl o b al m e a n t e m p er at ur e s fr o m ri si n g b e y o n d t h e P ari s A gr e e m e nt’ s 1. 5 ° C gl o b al w ar mi n g li mit ( U N F C C C 2 0 1 5).1 7 Wit hi n t hi s s etti n g, T 1 will d e v el o p b ett er o b s er v ati o n al s y st e m s a n d n e w r e gi o n all y e x pli cit k n o wl e d g e t o a s s e s s t h e e fi e cti v e n e s s of miti g ati o n, a n d p ot e nti al c o n s e q u e n c e s of a d a pt ati o n m e a s ur e s. 1 6 W orl d E c o n o mi c F or u m D a v o s 2 0 1 9. 1 4t h Gl o b al Ri s k R e p ort. 1 7 U N F C C C 2 0 1 5. T h e P ari s A gr e e m e nt. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 4 7

T o pi c 1: T h e At m o s p h er e i n Gl o b al C h a n g e P arti ci p ati o n i n t h e B M B F pri orit y pr o gr a m R e gI Kli m c o m pl e m e nt s o ur c o m pr e h e n si v e k n o wl e d g e tr a n sf er pr o gr a m – a s st a k e h ol d er-t ail or e d i nf or m ati o n f or r e gi o n al cli m at e a d a pt ati o n i n ur b a n s p a c e s, f or t h e a gri c ult ur e i n d u str y, or a s k n o wl e d g e s y nt h e si s vi a I P C C or I P B E S. F or a d et ail e d vi e w of o ur str at e g y- b a s e d k n o wl e d g e tr a n sf er a cti viti e s, s e e S e cti o n F. O ur e n g a g e m e nt i n R e gI Kli m ill u str at e s t h e ti m eli n e s s of t h e T 1 c o m p et e n c e p ortf oli o a n d r e s e ar c h pl atf or m i n r e gi o n al E art h s y st e m m o d eli n g. W e will a s s u m e a f or m ati v e r ol e f or t hi s s u bj e ct ar e a i n t h e P o F I V H el m h oltz pr o gr a m a n d r el at e d i nt er n ati o n al c oll a b or ati v e e fi ort s, a s s u g g e st e d i n t h e F o P o Z. O ur u ni q u e c o m bi n ati o n of i nfr a str u ct ur e s ( o b s er v ati o n al a n d m o d eli n g) f o st er s i nt er n ati o n al c o- o p er ati o n a n d pr o vi d e s c utti n g- e d g e r e s e ar c h a n d r e s e ar c h-tr ai ni n g o pti o n s. F u n cti o n a n d c o ntri b uti o n of t h e T o pi c wit hi n t h e Pr o gr a m. T h e at m o s p h er e i s t h e E art h s y st e m c o m - p art m e nt t hr o u g h w hi c h h u m a n s a fi e ct cli m at e m o st dir e ctl y, a n d t h e at m o s p h er e i s t h e pri m ar y m e di u m f or s u b st a nti al f e e d b a c k s of cli m at e wit h t h e l a n d s urf a c e, t h e bi o s p h er e, t h e cr y o s p h er e, a n d t h e o c e a n. T h er e - f or e, T 1 will h a v e a l e a di n g r ol e i n t h e r e s e ar c h e fi ort o n at m o s p h eri c pr o c e s s e s a n d cli m at e c h a n g e i m p a ct s wit hi n t h e o v er all Pr o gr a m, i n cl o s e c oll a b or ati o n wit h T 2, T 3, T 4, T 5, a n d T 7. T hi s i n cl u d e s t h e i n v e sti g ati o n of at m o s p h eri c pr o c e s s e s r el e v a nt f or cli m at e a n d air q u alit y, a s w ell a s t h e e x c h a n g e pr o c e s s e s a n d f e e d b a c k s wit h t h e a dj a c e nt c o m p art m e nt s. I n c o n s e q u e n c e, T 1 r e s e ar c h h a s a m aj or i m p a ct o n 8 ( of 1 0) o v er ar c hi n g s ci e nti ff c o bj e cti v e s of t h e Pr o gr a m ( s e e C h. 5. 1 ; O bj e cti v e s 5, 7, 9, 1 0). T h u s, w e a nti ci p at e a wi d e r a n g e of c oll a b or ati o n wit h ot h er T o pi c s of t h e Pr o gr a m, a s w ell a s wit h r e s e ar c h gr o u p s i n ot h er H el m h oltz R e s e ar c h Fi el d s a s a n e s s e nti al el e m e nt of t h e T o pi c’ s e fi ort s t o w ar d s u st ai n a bl e s ol uti o n s. I n p arti c ul ar, t h e d e fi n e d c oll a b or ati o n wit h T 2 pr o vi d e s n e w p er s p e cti v e s i n t hi s dir e cti o n. E x p e ct e d j oi nt a cti viti e s i n cl u d e: • • • • • • • Cli m at e c h a n g e – o c e a n- at m o s p h er e i nt er a cti o n, pr e di cti o n ( wit h T 2, a n d D W D) R e gi o n al E art h s y st e m m o d eli n g ( wit h T 2 a n d T 4, a n d D W D) F or e c a st a n d m a n a g e m e nt of e xtr e m e e v e nt s ( wit h T 2 a n d T 3, a n d C C A E xtr e m e s) S p a c e w e at h er – at m o s p h er e f e e d b a c k s ( wit h T 3) Cli m at e a d a pt ati o n, l a n d u s e c h a n g e, w at er a v ail a bilit y, ( wit h T 5 a n d T 7, a n d C C A T E R E N O) Air q u alit y a n d h u m a n h e alt h ( wit h H M G U, R F H e alt h) At m o s p h eri c s e n si n g ( wit h D L R, R F A er o n a uti c s / S p a c e / Tr a n s p ort) T h e pr o gr a m m ati c i m p a ct of t h e s e o n- g oi n g a n d pl a n n e d c oll a b or ati o n s i s d e s cri b e d i n m or e d et ail i n S e cti o n C. I n s o m e c a s e s t h e pr o p o s e d j oi nt pr oj e ct s c o ntri b ut e t o f or m al c oll a b or ati o n s i n C T A s / C A R F s, a s d e s cri b e d i n S e cti o n F, b ut d u e t o t h e e xi sti n g p ortf oli o of e x p erti s e i n T 1, w e al s o e x p e ct a d diti o n al i nf or m al c o ntri b u- ti o n s t o i nt er di s ci pli n ar y fi el d s s u c h a s ‘ Bi o di v er sit y’, or ‘ D e e p L e ar ni n g / M a c hi n e L e ar ni n g’, i n c oll a b or ati o n wit h ot h er T o pi c s i n t h e Pr o gr a m. Hi g hli g ht s. T 1 st u di e s r e gi o n all y e x pli cit dri v er s a n d i m p a ct s of gl o b al c h a n g e fr o m t h e p er s p e cti v e of, or wit h a vi e w t o, t h e at m o s p h er e. T h e f a ct t h at t h e r e s e ar c h t e a m c o ntri b uti n g t o T 1 c a n a d dr e s s gl o b al c h a n g e pr o c e s s e s t hr o u g h o ut t h e w h ol e at m o s p h er e, i n cl u di n g it s i nt er a cti o n wit h t h e a dj a c e nt E art h s y st e m c o m p art m e nt s, i s it s m o st i m p ort a nt str at e gi c hi g hli g ht. T hi s w h ol e at m o s p h er e a p pr o a c h pl a c e s T 1 i n a p o siti o n t o m a k e v al u a bl e c o ntri b uti o n s t o ot h er T o pi c s a n d t h e e ntir e Pr o gr a m. W e a cti v el y pr o m ot e t hi s str at e gi c d e v el o p m e nt a s a d e ci - si v e st e p t o w ar d s tr ul y i nt e gr at e d E art h S y st e m S ci e n c e s ol uti o n s f or t h e s o ci et al c h all e n g e s of gl o b al c h a n g e. A r el at e d hi g hli g ht i s o ur c o m bi n ati o n of m e a s ur e m e nt s, d at a a n al y si s, a n d m o d eli n g i n all o ur w or k, c orr e s p o n di n g t o t h e r e s e ar c h m et h o d ol o g y tri a d of o b s er v ati o n – u n d er st a n di n g – pr e di cti o n. I n t hi s e n d e a v or, w e stri v e t o a d dr e s s e ntir e pr o c e s s- a n d e v e nt c h ai n s fr o m t h e dri v er s of gl o b al c h a n g e or e xtr e m e e v e nt s t o t h eir r a mi fi c a - ti o n s f or air q u alit y, w at er r e s o ur c e s, G H G b u d g et s, e c o s y st e m vi a bilit y, a n d t h e ri s k of m or e e xtr e m e w e at h er i n a w ar m er w orl d. I n T 1, t hi s i nt e gr ati o n of o ur c o m bi n e d e x p erti s e a n d r e s o ur c e s b e n e flt s e n or m o u sl y fr o m t h e m o m e nt u m cr e at e d b y pr o gr e s s i n o n g oi n g i nt e gr ati v e i niti ati v e s li k e R E K LI M, T E R E N O, M O S E S, a n d E S M. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 4 9

T o pi c 1: T h e At m o s p h er e i n Gl o b al C h a n g e D uri n g P o F III, t h e T o pi c h a s p ur s u e d a pr o c e s s f or str e n gt h e ni n g it s c o m p et e n c e i n s e v er al str at e gi c all y r el e v a nt s u bj e ct s, i n cl u di n g: ‘ at m o s p h eri c s e n si n g’, ‘ cl o u d s / a er o s ol s’, ‘ e xtr e m e w e at h er / cli m at e e xtr e m e s’, ‘ at m o s p h eri c m o d eli n g a cr o s s s c al e s’, ‘l a n d / o c e a n / at m o s p h er e i nt erf a c e’, ‘l a n d c h a n g e a n d e c o s y st e m / cli- m at e s er vi c e s’ a n d ‘ ur b a n s p a c e s’ wit h t w el v e n e w pr of e s s or s hi p s, 1 5 e xt er n all y-f u n d e d YI G s, s o p hi sti c at e d i nfr a str u ct ur e s a n d m aj or c oll a b or ati v e r e s e ar c h pr oj e ct s. T h e s e a cti viti e s g o al o n g wit h a c o m pr e h e n si v e c o- o p er ati o n str at e g y – t o g et h er wit h l o n g-t er m p art n er s a n d st a k e h ol d er s wit hi n a n d o ut si d e t h e Pr o gr a m ( s e e S e cti o n s D a n d F). T h e m a n a g e m e nt of s u c h a T o pi c wit h s e v e n p art n er s (i n cl u di n g D W D a n d D L R) i s a c h all e n g e i n t er m s of j oi nt r e s e ar c h i m pl e m e nt ati o n, c o m m u ni c ati o n, a n d k n o wl e d g e tr a n sf er. T 1 r eli e s str o n gl y o n t h e m a n a g e m e nt e x p erti s e of t h e l a st t e n y e ar s i n t h e A T M O pr o gr a m, w h er e fi v e of t h e s e v e n P o F I V p art n er s w er e i n v ol v e d. M o nt hl y t el e p h o n e c o nf er e n c e s, p eri o di c r e p orti n g, a n d a n n u al str at e gi c w or k s h o p s ar e t h e m ai n el e m e nt s f or e fi e cti v e c o m m u ni c ati o n a n d c o- o p er ati o n i n t h e T o pi c. Str at e gi c d e v el o p m e nt s ar e e m b e d d e d i n a hi g h-l e v el i nt er n ati o n al b e n c h m ar ki n g pr o c e s s t o pr o vi d e g ui d a n c e f or t h e c o nti n u e d e x a mi n ati o n a n d a dj u st m e nt of t h e T o pi c’ s r e s e ar c h dir e cti o n. T hi s fi e xi bilit y s er v e s t o r e a c h t h e T o pi c’ s d eli v er a bl e s a n d mil e st o n e s. T 1 i s c o n - s e n s u s- ori e nt e d, b ut i n t h e c a s e of di s a gr e e m e nt s, w e will f oll o w a c o n ffi ct m a n a g e m e nt p oli c y ( wit h d e fi n e d c o m m u ni c ati o n p at h w a y s) e st a bli s h e d i n t h e A T M O pr o gr a m. C) Str u ct ur e of t h e T o pi c a n d m oti v ati o n of S u bt o pi c s I ntr o d u cti o n of S u bt o pi c s. T 1 i s str u ct ur e d i nt o t hr e e S u bt o pi c s ( S T) of str o n g s ci e nti fi c a n d s o ci et al r el- e v a n c e i n at m o s p h eri c a n d cli m at e r e s e ar c h ( Fi g. 1. 1). S T 1. 1 ‘ Air Q u alit y’ e x a mi n e s s o ur c e s, si n k s, di stri b uti o n a n d tr a n sf or m ati o n pr o c e s s e s of at m o s p h eri c tr a c e s u b st a n c e s t h at a fi e ct t h e h e alt h of h u m a n s, a ni m al s, a n d pl a nt s. S T 1. 2 ‘ Cli m at e F e e d b a c k s’ a s s e s s e s cli m at e dri v er s i n cl u di n g C O 2 a n d ot h er gr e e n h o u s e g a s e s, a er o s ol s, l a n d u s e c h a n g e, a n d s ol ar f or ci n g, b y a n al yzi n g t h eir e fi e ct s a n d f e e d b a c k s wit h t e m p er at ur e, at - m o s p h eri c c o m p o siti o n, t h e h y dr ol o gi c al c y cl e, or t h e g e n er al cir c ul ati o n s y st e m. B a s e d o n t h at, S T 1. 3 ‘ F ut ur e W e at h er a n d E xtr e m e s’ i n v e sti g at e s t h e f ut ur e st ati sti c s / cli m at ol o g y of w e at h er p h e n o m e n a i n a s e a ml e s s a p pr o a c h fr o m s u b- d ail y t o d e c a d al s c al e s, wit h a p arti c ul ar f o c u s o n c h a n g e s i n fr e q u e n c y a n d m a g nit u d e of e xtr e m e e v e nt s. T h e str u ct ur e of t h e T o pi c s er v e s t o a d dr e s s: i) t h e m o st i m m e di at e s o ci et al i m p a ct fr o m gl o b al c h a n g e o n t h e at m o s p h er e ( S T 1. 1), ii) t h e m o st c o m pl e x c h all e n g e f or d y n a mi c cli m at e s y st e m u n d er st a n di n g ( S T 1. 2), iii) t h e m o st r el e v a nt a m biti o n f or m o d eli n g a n d pr e di cti o n of cli m at e c h a n g e c o n s e q u e n c e s a fl e cti n g e v er y d a y lif e ( S T 1. 3). T h e t hr e e S u bt o pi c s c orr e s p o n d t o t h e t hr e e T 1 s ci e nti ff c o bj e cti v e s a n d ar e str o n gl y i nt er-r el at e d, b ut e x pr e s s di fi er e nt a s p e ct s a n d p er s p e cti v e s of t h e at m o s p h er e i n gl o b al c h a n g e. W or k i n t h e S u bt o pi c s will n e c e s s aril y r e q uir e br o a d c o o p er ati o n a cr o s s t h e T o pi c, a n d s p e ci ff c c oll a b or ati o n wit h ot h er T o pi c s ( e s p e ci all y T 2, T 3, T 4, T 5, T 7 a n d ot h er R e s e ar c h Fi el d s). T o f ul flll t h e P o F I V Pr o gr a m mi s si o n, T 1 o p er at e s a n d c o ntri b ut e s t o s e v er al e x c ell e ntl y e q ui p p e d o b s er v ati o n - al a n d e x p eri m e nt al r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e s, o b s er v ati o n n et w or k s, a n d m o d eli n g s y st e m s. T h e i nfr a str u c - t ur e s ar e o n e i m p ort a nt pr er e q ui sit e f or t h e c utti n g- e d g e r e s e ar c h i n e m er gi n g fi el d s of t h e S Ts ( s e e S e cti o n D). T h e s e i nfr a str u ct ur e s ar e u s e d m o stl y a cr o s s all S Ts. T h e y ar e eit h er: • • • • • o p er at e d b y T 1 ( AI D A, KI Tc u b e, S A P HI R, E S F RI I A G O S), i n cl u di n g s er vi c e t o t h e r e s e ar c h c o m m u nit y ( m a n - d at e d i n F o P o Z), p art of P o F I V s ci e nti fi c c oll a b or ati o n s wit hi n t h e R F ( T E R E N O, M O S E S, M E SI wit h G N S S), a pr er e q ui sit e f or T 1’ s f or m ati v e r ol e i n r e gi o n al E art h s y st e m m o d eli n g o n a n (i nt er) n ati o n al l e v el wit h a s s o ci at e d d at a m a n a g e m e nt f a ciliti e s ( m a n d at e d i n F o P o Z), o ur f ut ur e c o ntri b uti o n s t o l o n g-t er m e n vir o n m e nt al o b s er v ati o n s i n i nt er n ati o n al n et w or k s ( N D A C C, T C C O N, I C O S, F L U X N E T, E S F RI A C T RI S, G C O S / G R U A N), or l o n g-t er m str at e gi c d e v el o p m e nt s of n e w pl atf or m s ( e. g., G L O RI A- B At m o S at, o n t h e n ati o n al r o a d m a p; A T M O s e n s e, pl a n n e d). Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 5 1

T o pi c 1: T h e At m o s p h er e i n Gl o b al C h a n g e a n d e c o n o mi c s e ct or s, KI T pr o vi d e s r e s e ar c h wit h i m m e di at e r el e v a n c e t o s o ci et y i n t h e c o nt e xt of i n cr e a si n g d e m a n d f or ri s k a s s e s s m e nt s r el at e d t o cli m ati c a n d at m o s p h eri c c h a n g e. Wit h t hi s e x p erti s e, KI T c o ntri b ut e s str o n gl y t o all t hr e e S Ts. T h e a b o v e- m e nti o n e d r e s e ar c h at KI T i s c o n d u ct e d m ai nl y b y it s I n stit ut e of M et e o - r ol o g y a n d Cli m at e R e s e ar c h (I M K), r a n k e d 8t h i n t h e 2 0 1 9 S h a n g h ai R a n ki n g.2 6 T h e i n stit ut e c o n si st s of f o ur d e p art m e nt s wit h 1 5 pr of e s s or s hi p s at t w o sit e s ( K arl sr u h e a n d G ar mi s c h- P art e n kir c h e n). I M K o p er at e s l ar g e i nfr a str u ct ur e s, i n cl u di n g T E R E N O- pr e Al pi n e, KI T c u b e, a n d AI D A, Gl ori a o n H A L O a n d I A G O S / C A RI BI C, a s w ell a s c o m pl e x m o d eli n g s y st e m s a n d l ar g e d at a m a n a g e m e nt f a ciliti e s. D) S u bt o pi c s S u bt o pi c 1. 1 Air Q u alit y A stri d Ki e n dl er- S c h arr, F ZJ; P et er Br a e si c k e, KI T S c o p e a n d c h all e n g e s. T h e S u bt o pi c Air Q u alit y ( S T 1. 1) a d dr e s s e s s o ur c e s, si n k s, a n d t h e di stri b uti o n of at - m o s p h eri c tr a c e s u b st a n c e s a s w ell a s t h eir at m o s p h eri c tr a n sf or m ati o n pr o c e s s e s. T h e a cti viti e s of Air Q u al - it y pr o vi d e t h e s ci e nti fi c i n p ut f or t h e d e v el o p m e nt of a cl e a n air r o a d m a p b e n e fitti n g li k e wi s e h u m a n h e alt h a n d e c o s y st e m s, a s w ell a s cli m at e c h a n g e miti g ati o n. T h er e b y S T 1. 1 br e a k s n e w gr o u n d i n t h e d e v el o p m e nt of f u n d a m e nt al u n d er st a n di n g of at m o s p h eri c c o m p o siti o n a n d it s u s e i n t h e s o ci et all y a n d p oliti c all y r el e v a nt t h e m e of air q u alit y. Air q u alit y, h er e d e fi n e d i n a wi d er s e n s e t o c o v er a s p e ct s of at m o s p h eri c c o m p o siti o n a n d p oll uti o n, i s t h e r e s ult of at m o s p h eri c p h y si c al a n d c h e mi c al pr o c e s si n g of a nt hr o p o g e ni c a n d bi o g e ni c e mi s si o n s, a n d at - m o s p h eri c tr a n s p ort o v er l ar g er di st a n c e s ( Fi g. 1. 2). Pr o bl e m s of air q u alit y ar e d et er mi n e d pri m aril y b y t h e c o n v er si o n of r e a cti v e tr a c e s p e ci e s t o s e c o n d ar y p oll ut a nt s s u c h a s oz o n e a n d s e c o n d ar y ff n e p arti cl e s, e v o ki n g t e m p or al a n d s p ati al di m e n si o n s fr o m s e c o n d s t o y e ar s a n d fr o m l o c al t o gl o b al. M a n y air p oll ut a nt s ar e s ci e nti fi c all y c h all e n gi n g t hr o u g h t h eir d u al r ol e a s at m o s p h eri c h e alt h h az ar d s a n d a s s h ort-li v e d cli m at e f or c er s ( S L C F), c a u si n g c o m pl e x at m o s p h eri c c h e mi str y- cli m at e i nt er a cti o n s. T hi s i s p arti c ul arl y r el e v a nt f or air p oll ut a nt s ori gi n ati n g fr o m e mi s si o n s, w hi c h i n t h e m s el v e s d e p e n d o n w e at h er a n d cli m at e. R e s e ar c h i n S T 1. 1 c o ntri b ut e s str o n gl y t o i nt er n ati o n all y or g a niz e d r e s e ar c h a n d a s s e s s m e nt s. I m p ort a nt li n k s e xi st wit h C o p er ni c u s, t h e E ur o p e a n U ni o n’ s E art h O b s er v ati o n Pr o gr a m, C A M S ( C o p er ni c u s At m o s p h er e M o n - it ori n g S er vi c e) f or r e gi o n al air q u alit y f or e c a st s y st e m s d e v el o p m e nt a n d o p er ati o n, W C R P- C O R D E X, C S P – Cli m at e S er vi c e P art n er s hi p a n d T O A R, I P C C, L R T A P, a n d W M O a s s e s s m e nt s. I A G O S i s a m aj or c o ntri b ut or t o t h e Gl o b al At m o s p h er e W at c h Pr o gr a m of W M O a n d v ari o u s C O P E R NI C U S s er vi c e s ( At m o s p h er e M o nit ori n g, Cli m at e C h a n g e S er vi c e). M ai n o bj e cti v e s. T h e s ci e nti fi c g o al s of S T 1. 1 ar e t o q u a ntif y t h e di stri b uti o n of s e c o n d ar y p oll ut a nt s i n c ur- r e nt at m o s p h eri c c h e mi str y r e gi m e s a n d t o pr oj e ct f ut ur e c h a n g e s i n at m o s p h eri c c o m p o siti o n wit h e m p h a si s o n cli m at e-i n d u c e d c h a n g e s. T o pr e di ct f ut ur e air q u alit y, w e n e e d t o u n d er st a n d e mi s si o n s a n d t h eir c h a n g e s i n t h e c o nt e xt of cli m at e c h a n g e, a n e v ol vi n g e n er g y a n d tr a n s p ort s y st e m, ur b a niz ati o n a n d l a n d u s e c h a n g e, i nt er a cti o n s of a nt hr o p o - g e ni c a n d bi o g e ni c e mi s si o n s i n at m o s p h eri c c h e mi str y, a n d t h e s p ati al a n d t e m p or al s c al e s of at m o s p h eri c c h e mi str y- cli m at e i nt er a cti o n s (li n ki n g all S Ts). W or k pr o gr a m. D e v el o pi n g pr o c e s s-l e v el u n d er st a n di n g of c o n v er si o n m e c h a ni s m s a n d i m pl e m e nti n g t hi s k n o wl e d g e i n r e gi o n al a n d mi cr o s c al e c h e mi c al w e at h er f or e c a st s, i s a c or n er st o n e of S T 1. 1. T hi s pr o c e s s-l e v el u n d er st a n di n g i s d eri v e d fr o m o b s er v ati o n s i) at air q u alit y h ot s p ot s s u c h a s m e g a- citi e s, ii) a cr o s s t h e pl a n e - t ar y b o u n d ar y l a y er a n d fr e e tr o p o s p h er e gl o b all y, a n d iii) i n i n n o v ati v e si m ul ati o n c h a m b er s d e di c at e d t o t h e e x pl or ati o n of at m o s p h eri c c h e mi c al m e c h a ni s m s. O b s er v ati o n all y dri v e n c h e mi c al m e c h a ni s m d e v el o p m e nt i s c o m pl e m e nt e d b y t h e or eti c al a p pr o a c h e s, i n cl u di n g q u a nt u m c h e mi c al si m ul ati o n s a n d i n v e sti g ati o n s of t h e i nt er pl a y b et w e e n at m o s p h eri c tr a n s p ort pr o c e s s e s a n d c h e mi c al r e a cti o n s. 2 6 S e e htt p://w w w. s h a n g h air a n ki n g. c o m / s h a n g h air a n ki n g- s u bj e ct-r a n ki n g s / at m o s p h eri c- s ci e n c e. ht ml (J ul y 2 0 1 9). Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 5 3

T o pi c 1: T h e At m o s p h er e i n Gl o b al C h a n g e i nt er a cti o n s b et w e e n or g a ni c R O2 s u p pr e s s S O A f or m ati o n, 3 1 c h all e n gi n g c urr e nt m o d el r e pr e s e nt ati o n s of S O A f or m ati o n. S y st e m ati c r e s e ar c h of t h e u n d erl yi n g a ut o xi d ati o n m e c h a ni s m s h a s j u st b e g u n, a n d pr o gr e s s i n t hi s e m er gi n g fi el d r e q uir e s s o p hi sti c at e d e x p eri m e nt al a n d t h e or eti c al m et h o d s t o e x pl or e t h e c h e mi str y of r e a cti v e g a s s p e ci e s, i nt er m e di at e pr o d u ct s, a n d p arti cl e s. T hi s w or k p a c k a g e t h er ef or e c o m bi n e s i) fi el d o b s er v ati o n s o n t h e gr o u n d (J U LI A C, KI Tc u b e- a er o s ol), i n t h e pl a n - et ar y b o u n d ar y l a y er ( U A V s, Z e p p eli n N T), ii) si m ul ati o n c h a m b er st u di e s ( S A P HI R, S A P HI R- P L U S, S A P HI R- S T A R, AI D A, AI D A- d y n a mi c), iii) t h e or eti c al c h e mi str y, a n d i v) r e gi o n al ( E U R A D-I M, I C O N- A R T) a n d gl o b al m o d eli n g ( E M A C, I C O N). S o m e of t h e fi el d e x p eri m e nt s will b e c o n d u ct e d i n p oll ut e d r e gi o n s i n C hi n a i n c o o p er ati o n wit h P e ki n g U ni v er sit y ( P K U) wit hi n t h e I nt er n ati o n al J oi nt R e s e ar c h L a b of F ZJ a n d P K U. L o n g-t er m tr e n d s of gl o b al at m o s p h eri c c o m p o siti o n ( F ZJ, KI T). T h e l o n g-t er m o b s er v ati o n of t h e c h a n gi n g at m o s p h er e i n t h e A nt hr o p o c e n e, wit h p arti c ul ar c o n si d er ati o n of t h e e s s e nti al cli m at e v ari a bl e s, i s o n e of t h e k e y c h all e n g e s i n t h e u p c o mi n g d e c a d e. Hi g h- q u alit y o b s er v ati o n s o n a gl o b al s c al e ar e ur g e ntl y r e q uir e d f or t h e a s s e s s m e nt of t h e c urr e nt l e v el of cli m at e c h a n g e, a n d t h e d e v el o p m e nt a n d r e vi e w of i m pl e m e nt e d miti g a- ti o n str at e gi e s a n d p ot e nti al i nt er n ati o n al a gr e e m e nt s li k e t h e P ari s A gr e e m e nt 2 0 1 5. I n t hi s c o nt e xt, tr u st a bl e attri b uti o n of di ff er e nt s o ur c e s a n d pr o c e s s e s t o gl o b al gr e e n h o u s e- g a s b u d g et s a n d t h eir tr e n d s i s o n e of t h e m ai n o p e n q u e sti o n s, wit h s h ort-li v e d cli m at e f or c er s p o si n g p arti c ul ar c h all e n g e s d u e t o t h eir r el ati v el y l ar g e s p ati al a n d t e m p or al v ari a bilit y a n d t h eir d u al r ol e a s air p oll ut a nt s. T h u s, t hi s w or k p a c k a g e p erf or m s i) gr o u n d- b a s e d l o n g-t er m n e ar-I R s ol ar F TI R m e a s ur e m e nt s of C O 2 a n d C H4 wit hi n t h e T C C O N n et w or k ( G ar mi s c h a n d Z u g s pitz e, pl u s p art n er sit e s) r e pr e s e nt ati v e f or t h e r e gi o n al t o h e mi - s p h eri c s c al e a n d c ol u m n s o u n di n g s of ot h er tr a c er s vi a N D A C C-t y p e ( mi d-I R) t o s u p p ort s o ur c e attri b uti o n, a n d ii) l o n g-t er m i n sit u m e a s ur e m e nt s of t h e c h e mi c al c o m p o siti o n i n t h e U T L S a b o ar d a fi e et of i n str u m e nt e d ci vil air cr aft (I A G O S- C O R E) a n d t h e I A G O S- C A RI BI C air cr aft. I n- d e pt h o b s er v ati o n- m o d el c o m p ari s o n ( u si n g I C O N- A R T a n d E M A C), b a s e d o n v ari o u s m etri c s i n di fi er e nt r e gi o n s a n d altit u d e s will all o w a m ultif a c et e d a s s e s s m e nt of o ur c urr e nt u n d er st a n di n g o n t h e f at e of v ari o u s p oll ut a nt s a n d tr a c e s u b st a n c e s a n d t h e c o ntr olli n g pr o c e s s e s. D eli v er a bl e s ( D) a n d Mil e st o n e s ( M) • • • D 1 . 1 ( 2 0 2 7): Hi g h-r e s ol uti o n i n v e nt or y of ur b a n air q u alit y. M 1. 1- 1 ( 2 0 2 3): V ali d ati o n of t h e hi g h-r e s ol u- ti o n m o d el of ur b a n air q u alit y ( P A L M- 4 U) u n d er c urr e nt e mi s si o n c o n diti o n s. M 1. 1- 2 ( 2 0 2 5): St ati sti c al a n al y si s of air q u alit y ri s k c o n diti o n s f or f ut ur e pr oj e cti o n s. D 1. 2 ( 2 0 2 7): R a di c al a n d s e c o n d ar y p oll ut a nt air q u alit y m etri c . M 1. 2- 1 ( 2 0 2 4): U ni fi e d p ar a m et eriz ati o n s c h e m e f or g a s t o p arti cl e p artiti o ni n g a c c o u nti n g f or c o n d e n s ati o n, e v a p or ati o n, a c cr eti o n r e a cti o n s, a n d p ar - ti cl e- p h a s e st at e. M 1. 2- 2 ( 2 0 2 6): E x pl or ati o n of p er o x y r a di c al s a s a n i nt e gr al p ar a m et er f or air q u alit y m etri c s. D 1 . 3 ( 2 0 2 7): A s s e s s m e nt of gl o b al a n d l o n g-t er m tr e n d s of at m o s p h eri c c o m p o siti o n. M 1. 3- 1 ( c o nti n u - o u s a cti vit y wit h r e g ul ar u p d at e s): St e a d y a n d e n h a n c e d gl o b al o b s er v ati o n of at m o s p h eri c c o m p o si - ti o n a n d i n v e sti g ati o n of tr o p o s p h eri c c o n c e ntr ati o n tr e n d s a s c o ntri b uti o n t o t h e U nit e d N ati o n s ´ T a s k F or c e o n H e mi s p h eri c Tr a n s p ort of Air P oll uti o n a n d S P A R C. M 1. 3- 2 ( 2 0 2 7): E v al u ati o n of a nt hr o p o g e ni c i m p a ct o n at m o s p h eri c c o m p o siti o n i n t h e c o nt e xt of s o ci o- e c o n o mi c c h a n g e, f o c u si n g o n N O2 a n d p arti c- ul at e m att er v erti c al pr o fil e s f or v ari o u s r e gi o n s of t h e E art h. I nfr a str u ct ur e s a n d s p e ci fl c r e s o ur c e s. R e s e ar c h i n S T 1. 1 b uil d s o n t h e u s e a n d d e v el o p m e nt of l ar g e- s c al e e x p eri m e nt al a n d c o m p uti n g i nfr a str u ct ur e s a s d et ail e d i n t h e r e s p e cti v e W P s. Wit hi n t h e P o F I V f u n di n g p eri o d, S T 1. 1 will e x p a n d m e a s ur e m e nt c a p a biliti e s t o tr a c e s p e ci e s of r el e v a n c e i n t h e c o nt e xt of t h e ‘ E n er gi e w e n d e’ ( G er m a n e n er g y s y st e m s tr a n sf or m ati o n) a n d a c h a n gi n g m o bilit y s y st e m. E ff e cti v e ‘t ail pi p e’ e mi s si o n c o ntr ol f or m a n y i n d u str y, e n er g y, a n d tr a n s p ort s e ct or s will r e s ult i n a l ar g er c o n - tri b uti o n of r e gi o n al s o ur c e s t o l o c al air q u alit y, e m p h a sizi n g t h e n e e d f or t e c h ni q u e s t o m e a s ur e at m o s p h eri c c h e mi c al a gi n g. S p e ci al att e nti o n will b e gi v e n t o s p e ci e s c o n n e ct e d t o at m o s p h eri c a ci dit y a n d it s c h a n g e d u e t o c o nti n u o u s i n cr e a s e s i n N H3 e mi s si o n s a n d e fi e cti v e e mi s si o n c o ntr ol of S O2 a n d N Ox. 3 1 * M c Fi g g a n s G, et al. 2 0 1 9. S e c o n d ar y or g a ni c a er o s ol r e d u c e d b y mi xt ur e s of at m o s p h eri c v a p o ur s. N at ur e. 5 6 5: 5 8 7 – 5 9 3. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 5 5

T o pi c 1: T h e At m o s p h er e i n Gl o b al C h a n g e d e v el o p m e nt of c o n c e pt s f or e n vir o n m e nt all y s o u n d m a n a g e m e nt of n at ur al r e s o ur c e s u n d er c o n diti o n s of gl o b al c h a n g e. Q u a nti fi c ati o n of c h a n g e s i n at m o s p h eri c c o m p o siti o n (i n cl u di n g cl o u d s) a n d cir c ul ati o n p att er n s (i n cl u d - i n g M o n s o o n s y st e m s a n d Br e w er- D o b s o n cir c ul ati o n) i n a c h a n gi n g cli m at e a n d i m pr o v e d r e pr e s e nt ati o n of u n d erl yi n g pr o c e s s e s i n E art h s y st e m m o d el s. Q u a nti fi c ati o n of pr o c e s s c h ai n s t h at i n v ol v e t h e str at o s p h er e a n d t h e o c e a n, t o i m pr o v e o ur u n d er st a n d - i n g of d e c a d al v ari a bilit y d o w n t o s e a s o n al a n d s u b- s e a s o n al pr e di ct a bilit y a n d t o e n h a n c e t h e q u alit y of r e gi o n al cli m at e c h a n g e pr oj e cti o n s i n E art h s y st e m m o d el s. Q u a nti fi c ati o n of f or ci n g fr o m b el o w ( at m o s p h er e) a n d a b o v e ( s ol ar, m a g n et o s p h er e) of t h e d y n a mi c s a n d c o m p o siti o n i n n e ar- E art h s p a c e, a n d i n v e sti g ati o n of f e e d b a c k m e c h a ni s m s wit h t h e l o w er at m o s p h er e. 2. 3. 4. W or k pr o gr a m. T o a c hi e v e t h e s ci e nti ff c o bj e cti v e s, t h e w or k i n S T 1. 2 i s or g a niz e d i nt o f o ur w or k p a c k a g e s, w hi c h ar e cl o s el y i nt erli n k e d. A s a m aj or a d v a n c e c o m p ar e d t o P o F III w e will st u d y c o u pli n g m e c h a ni s m s a cr o s s all r el e v a nt s p ati al- a n d t e m p or al s c al e s b et w e e n t err e stri al e c o s y st e m s, o c e a n s (li n k t o T 2) a n d t h e w h ol e at m o s p h er e ( s urf a c e t o u p p er at m o s p h er e). T hi s a p pr o a c h i s e s s e nti al f or i m pr o v e d pr oj e cti o n s of r e gi o n al cli m at e c h a n g e a n d s u b- s e a s o n al t o s e a s o n al pr e di cti o n s (li n k s t o S T 1. 1 a n d S T 1. 3). T h e ‘ w h ol e at m o - s p h er e’ a p pr o a c h al s o all o w s i n v e sti g ati o n of i nt er a cti o n s b et w e e n t h e ( n o n- c h ar g e d) n e utr al at m o s p h er e a n d t h e i o n o s p h er e (r el e v a nt f or s p a c e w e at h er, li n k t o T 3). A str o n g c o n n e cti o n t o T 2 i s cr e at e d b y i n v e sti g ati n g str at o s p h eri c i m p a ct s o n r e gi o n al cli m at e wit h a li n k t o t h e o c e a n. Fi g. 1. 3: S u bt o pi c 1. 2 i n v e sti g at e s dri v er s of cli m at e c h a n g e a n d f e e d b a c k s a cr o s s all r el e v a nt s p ati al- a n d t e m p or al s c al e s b e- t w e e n t err e stri al e c o s y st e m s (li n k s t o T 5, T 7), o c e a n s (li n k t o T 2) a n d t h e w h ol e at m o - s p h er e ( s urf a c e t o u p p er at m o s p h er e). T h e ‘ w h ol e at m o s p h er e’- a p pr o a c h i s e s s e nti al f or i m pr o v e d pr oj e cti o n s of r e gi o n al cli m at e c h a n g e a n d s u b- s e a s o n al t o s e a s o n al pr e - di cti o n s (li n k s t o S T 1. 1 a n d S T 1. 3). It al s o al - l o w s i n v e sti g ati o n s of i nt er a cti o n s b et w e e n t h e n e utr al at m o s p h er e a n d i o n o s p h er e (r el e v a nt f or s p a c e w e at h er, li n k t o T 3). H u m a n i m p a ct s o n l a n d – cli m at e d y n a mi c s ( KI T, F ZJ, H Z G). T o c o v er t h e i n cr e a si n g d e m a n d f or cr o p, li v e - st o c k, fi b er pr o d u ct s a s w ell a s bi o e n er g y b y a n i n cr e a si n g w orl d p o p ul ati o n, n at ur al e c o s y st e m s ar e i n cr e a s - i n gl y c o n v ert e d t o m a n a g e d s y st e m s, a n d a gri c ult ur al a n d f or e st pr o d u cti o n i s f urt h er i nt e n si fi e d. A gri c ult ur e a c c o u nt s f or 7 0 % of t h e t ot al fr e s h w at er c o n s u m pti o n w orl d wi d e. It i s al s o e sti m at e d t o c o ntri b ut e a b o ut o n e- q u art er of t h e gl o b al a nt hr o p o g e ni c G H G e mi s si o n s. H o w e v er, a gri c ult ur al a n d n at ur al e c o s y st e m s ar e n ot o nl y s o ur c e s a n d si n k s f or G H G s, b ut d y n a mi c all y r e s p o n d t o cli m at e c h a n g e i n a n o n-li n e ar f a s hi o n. E x c e e di n g e n vir o n m e nt al ti p pi n g p oi nt s mi g ht l e a d t o m aj or br e a k d o w n s of e c o s y st e m f u n cti o n s a n d r e s ult i n, e. g., d e - s erti fi c ati o n or t h e l o s s of tr o pi c al f or e st s a n d s a v a n n a h s. T h er ef or e, it i s of cr u ci al i m p ort a n c e t o u n d er st a n d t h e i nt erli n k e d pr o c e s s e s b et w e e n w at er fi u x e s a n d G H G e mi s si o n s f or m a n a g e d a n d n at ur al e c o s y st e m s a n d t h eir f e e d b a c k s t o t h e at m o s p h er e a n d t h e cli m at e s y st e m. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 5 7

T o pi c 1: T h e At m o s p h er e i n Gl o b al C h a n g e Wit h n e w cli m at e si m ul ati o n s, w e will st u d y t h e c o u pli n g pr o c e s s e s b et w e e n t h e str at o s p h er e a n d tr o p o s p h er e o n di fi er e nt ti m e s c al e s ( s u b- s e a s o n al t o d e c a d al). Tr a n s p ort will b e i m pr o v e d b y eit h er c o u pli n g a L a gr a n gi a n s c h e m e t o or i n cr e a si n g r e s ol uti o n of c o m pr e h e n si v e cli m at e m o d el s. E fi e ct s of s u c h i m pr o v e m e nt s o n d y - n a mi c s a n d d o w n w ar d c o u pli n g will b e a n al yz e d. T h e r ol e of n e ar- E art h s p a c e ( G F Z, F ZJ, KI T). T h e at m o s p h er e e xt e n d s t o altit u d e s of a f e w h u n dr e d kil o m e- t er s, w h er e n e utr al g a s t h er m o d y n a mi c s a n d el e ctr o d y n a mi c s of i o niz e d g a s a fi e ct s at ellit e o p er ati o n a n d r a di o w a v e n a vi g ati o n. W e will i n v e sti g at e v erti c al c o u pli n g t hr o u g h at m o s p h eri c w a v e s b et w e e n t h e l o w er, mi d dl e, a n d u p p er at m o s p h er e, a n d s ol ar f or ci n g o n t h e i o n o s p h er e. T o q u a ntif y t h e s e e ff e ct s a n d f e e d b a c k m e c h a ni s m s, w e d e v el o p st ati sti c al d at a a n al y si s m et h o d s, e v e nt d et e cti o n al g orit h m s, a n d gl o b al m o d el s. E n er g eti c p arti cl e s t h at pr e ci pit at e fr o m t h e m a g n et o s p h er e c a n h a v e a pr of o u n d e fi e ct o n nitri c o xi d e, wit h c o n s e q u e n c e s f or oz o n e a n d cli m at e. T o q u a ntif y t h e e fi e ct s of p arti cl e pr e ci pit ati o n, w e will n e e d t o u n d er st a n d a n d q u a ntif y t h e d y n a mi c e v ol uti o n of e n er g eti c p arti cl e s a n d t h eir e fi e ct o n u p p er- at m o s p h eri c c h e mi str y. D eli v er a bl e s ( D) a n d Mil e st o n e s ( M) • • • • • D 1 . 4 ( 2 0 2 5): S c e n ari o s f or r e gi o n al a n d gl o b al l a n d u s e a n d m a n a g e m e nt t o c o p e wit h t h e c h all e n g e of e n vir o n m e nt al a n d s o ci et al c h a n g e s. M 1. 4- 1 ( 2 0 2 3): St at e of c o ntri b uti o n s of f o o d s y st e m s t o r e gi o n al a n d gl o b al cli m at e c h a n g e a s s e s s e d a n d miti g ati o n o pti o n s i d e nti fi e d. D 1 . 5 ( 2 0 2 7): A s s e s s m e nt of s ol ar-t err e stri al pr o c e s s e s t a ki n g pl a c e i n t h e n e ar E art h’ s s p a c e, a n d of it s p o s si bl e f e e d b a c k m e c h a ni s m s o n l o w er at m o s p h er e d y n a mi c s. M 1. 5- 1 ( 2 0 2 5): V erti c al w a v e c o u pli n g i n t h e at m o s p h er e v er s u s s ol ar i n fl u e n c e s o n w e at h er a n d cli m at e of t h e u p p er at m o s p h er e a s s e s s e d. D 1. 6 ( 2 0 2 7): S u b- m o d el s a n d p ar a m et eriz ati o n s f or i m pr o v e d r e pr e s e nt ati o n of d y n a mi c al, c h e mi c al, a n d mi cr o- p h y si c al pr o c e s s e s i n at m o s p h eri c a n d E art h s y st e m m o d el s. M 1. 6- 1 ( 2 0 2 3): A s s e s s v ari a bilit y of cir c ul ati o n s y st e m s a n d u n d erl yi n g pr o c e s s e s a cr o s s ti m e s c al e s. M 1. 6- 2 ( 2 0 2 5): D y n a mi c al c o u pli n g s b et w e e n str at o s p h er e a n d tr o p o s p h er e a n al yz e d ( b a s e d o n o b s er v ati o n s a n d si m ul ati o n s). M 1. 6- 3 ( 2 0 2 5): Si m ul ati o n s f o c u si n g o n t h e r ol e of t h e A si a n M o n s o o n i n gl o b al c h e mi str y- cli m at e i nt er a cti o n s ( E S M pr oj - e ct) ar e e v al u at e d (li n k t o T 2). D 1 . 7 ( 2 0 2 7): R e gi o n al a n d gl o b al a s s e s s m e nt s of s oil- v e g et ati o n- at m o s p h er e f e e d b a c k s a n d c h a n gi n g w at er p at h w a y s a n d -r e si d e n c e ti m e s u n d er i n cr e a si n g G H G- a n d l a n d u s e c h a n g e s c e n ari o s. M 1. 7- 1 ( 2 0 2 3): C urr e nt st at e of c o ntri b uti o n s of f o o d s y st e m s t o r e gi o n al a n d gl o b al cli m at e c h a n g e a s s e s s e d a n d miti g ati o n o pti o n s i d e nti ff e d. M 1. 7- 2 ( 2 0 2 5): S c e n ari o s f or r e gi o n al a n d gl o b al l a n d u s e a n d m a n a g e m e nt t o c o p e wit h t h e c h all e n g e of e n vir o n m e nt al a n d s o ci et al c h a n g e s. M 1. 7- 3 ( 2 0 2 7): P ar a m etriz ati o n s f or t h e gl a ci o g e ni c pr o p erti e s of t h e m o st i m p ort a nt t y p e s of at m o s p h eri c a er o s ol s d eri v e d fr o m l a b or at or y e x p eri m e nt s. M 1. 8 ( 2 0 2 7): Q u a ntit ati v e r e pr e s e nt ati o n of c o m pl e x bi o g e o c h e mi c al pr o c e s s e s a n d h u m a n m a n a g e m e nt e fi e ct s i n E art h s y st e m- a n d cli m at e m o d el s u s e d f or d et ail e d s c e n ari o a n al y s e s. I nfr a str u ct ur e s a n d s p e ci ff c r e s o ur c e s. T h e s ci e nti fl c a n al y s e s ar e b a s e d o n t h e s y n er g eti c u s e of air b or n e a n d gr o u n d- b a s e d o b s er v ati o n al d at a a n d n et w or k s, c h a m b er e x p eri m e nt s, s at ellit e o b s er v ati o n s, pr o c e s s- ori e nt e d si m ul ati o n s, a n d E art h s y st e m m o d eli n g. I n a d diti o n, l o n g-t er m d at a s et s ar e pr o vi d e d t o t h e c o m m u - nit y ( e. g. , 2 0 y e ar s of p a st air b or n e w at er v a p or a n d cirr u s cl o u d o b s er v ati o n s). Gr o u n d- b a s e d n et w or k s i n cl u d e I C O S, T E R E N O, N D A C C, T C C O N, A C T RI S ( pr o p o s e d), G N S S, g e o m a g n eti c, a n d V L BI o b s er v at ori e s. W e a s s e s s cl o u d pr o p erti e s, i c e fr a cti o n, i c e cl o u d f or m ati o n, a n d pr e ci pit ati o n b y t h e i n st all ati o n of a n e w cl o u d o b s er v at or y at t h e A nt ar cti c N e u m a y er St ati o n III ( A WI). T o st u d y cl o u d- cli m at e i nt er a cti o n, w e u s e o ur AI D A f a cilit y (i n cl u di n g t h e n e wl y d e v el o p e d c h a m b er AI D A- d y n a mi c) of KI T. F or at m o s p h eri c c o m p o siti o n st u di e s w e u s e r e m ot e s e n si n g ( e. g., G L O RI A) a n d hi g hl y pr e ci s e i n sit u i n str u - m e nt s ( e. g., FI S H) f or air cr aft ( e. g., H A L O, G E O P H Y SI C A, P ol ar Air cr aft), l ar g e str at o s p h eri c b all o o n s ( e. g., G L O RI A- B) a n d s m all b all o o n s c o nt ai ni n g mi ni at uriz e d p a yl o a d s c o n si sti n g of a fr o st p oi nt h y gr o m et er ( w at er v a p or d et e cti o n), a n o pti c al b a c k s c att er i n str u m e nt (i c e cl o u d d et e cti o n), a n oz o n e i n str u m e nt a n d a st a n d ar d m et e or ol o gi c al r a di o s o n d e. T h e s e o b s er v ati o n s will b e c o m pl e m e nt e d b y Air C or e s pr o vi di n g tr o p o s p h eri c a n d str at o s p h eri c pr o fil e d at a o n m et h a n e, c ar b o n di o xi d e, ot h er G H G s, a n d a n u m b er of a g e- of- air tr a c er s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 5 9

T o pi c 1: T h e At m o s p h er e i n Gl o b al C h a n g e f or e st s a n d i nfr a str u ct ur e. Dr o u g ht s a n d h e at w a v e s n e g ati v el y a fi e ct h u m a n h e alt h, a gri c ult ur al pr o d u cti o n, a n d ri v er tr a n s p ort ati o n s y st e m s. T h e a bilit y t o pr e di ct t h e w e at h er a n d w e at h er-r el at e d p h e n o m e n a ( e. g., d u st st or m s, v ol c a ni c a s h di s p er si o n) o n s u b- d ail y t o s y n o pti c ti m e s c al e s m a y s a v e li v e s a n d i nfr a str u ct ur e. S T 1. 3 will f o c u s o n t h e s o ci o- e c o n o mi c i m p a ct of e xtr e m e w e at h er e v e nt s i n a w ar mi n g cli m at e. W hil e f or e c a sti n g i n di vi d u al w e at h er s y st e m s o n s u b- s e a s o n al t o d e c a d al ti m e s c al e s i s i m p o s si bl e, s hift s i n o c c urr e n c e pr o b a- biliti e s of e xtr e m e e v e nt s c a n b e e sti m at e d, a n d s u p p ort pl a n ni n g pr o c e s s e s. M ai n o bj e cti v e s. T h e f oll o wi n g o bj e cti v e s ar e st e p pi n g st o n e s i n a str at e g y ( Fi g. 1. 4) t o m e et t h e c h all e n g e s d et ail e d a b o v e: 1. 2. 3. 4. D e v el o p a n d a p pl y n e w o b s er v ati o n al s y st e m s o n c o n v e cti v e a n d s y n o pti c w e at h er s y st e m s a n d f o s- t er cr o s s- pl atf or m i nt e gr ati o n. At m o s p h eri c o b s er v ati o n c a p a biliti e s a cr o s s s c al e s a n d o b s er v ati o n t e c h- ni q u e s ar e c o m bi n e d wit h m o d eli n g st u di e s t o w ar d s a b ett er u n d er st a n di n g of mi cr o p h y si c al pr o c e s s e s ( AI D A) a n d m e s o s c al e pr o c e s s e s ( KI T c u b e). Hi g h-r e s ol uti o n m o d el s will all o w u s t o bri d g e m ulti pl e s p ati al a n d ti m e s c al e s a n d t o cl o s el y li n k wit h hi g h-r e s ol uti o n o b s er v ati o n s, b ot h fr o m s p a c e a n d gr o u n d b a s e d. A d v a n c e o ur at m o s p h eri c a n d E art h s y st e m m o d eli n g s y st e m s I C O N /I C O N- A R T at t h e r e gi o n al s c al e, wit h a p pr o pri at e a s si mil ati o n t e c h ni q u e s a n d c o nfr o nti n g t h e m o d el s wit h i nt e gr at e d o b s er v ati o n s. T h e f o c u s i s o n e n h a n c e d s p ati al a n d ti m e r e s ol uti o n (t o w ar d s t h e k m s c al e) a n d o n a er o s ol a n d g a s- p h a s e pr o c e s s e s n ot y et i n cl u d e d i n t h e m o d eli n g s y st e m. P u s h t h e pr a cti c al li mit s of pr e di ct a bilit y b a s e d o n n e w m o d eli n g c a p a biliti e s t o w ar d s t h e pr o vi si o n of i m pr o v e d q u a ntit ati v e s e a ml e s s f or e c a st s of w e at h er, c o m p o siti o n, a n d e xtr e m e s a cr o s s s c al e s, i n cl u di n g t h o s e n ot y et c o v er e d b y o p er ati o n al D W D s er vi c e s, e. g., s u b- s e a s o n al a n d d e c a d al pr e di cti o n. T h e f o c u s r a n g e s fr o m l o c al a n d r e gi o n al w e at h er f or e c a st s of i n di vi d u al hi g h-i m p a ct w e at h er e v e nt s t o s hift s i n t h e o c c urr e n c e fr e q u e n c y of e xtr e m e s o n cli m ati c ti m e s c al e s. T r a n sf er t h e a d v a n c e s i n w e at h er a n d cli m at e m o d eli n g f or q u a ntit ati v e i m p a ct pr e di cti o n s t o w ar d s t ai- l or e d i nf or m ati o n f or cli m at e c h a n g e a d a pt ati o n. S p e ci al att e nti o n will b e gi v e n t o r e gi o n s of hi g h v ul n er- a bilit y a n d cli m at e c h a n g e h ot s p ot s ( e. g., s o ut h er n E ur o p e, W e st Afri c a) a n d q u a nti fi c ati o n of i m p a ct s a s s o ci at e d wit h e xtr e m e w e at h er. R e s e ar c h i n S T 1. 3 m a k e s s u b st a nti al c o ntri b uti o n s t o i nt er n ati o n all y or g a niz e d r e s e ar c h a g e n d a s of W C R P a n d W W R P. T hi s i n cl u d e s pr oj e ct s s u c h a s t h e Hi g h I m p a ct W e at h er Pr oj e ct ( HI- W e at h er), t h e s u b- s e a s o n al t o s e a s o n al ( S 2 S) pr oj e ct, a n d C O R D E X Fl a g s hi p a cti viti e s, w hi c h ar e cl o s el y li n k e d t o a n d str o n gl y s u p p ort e d b y S T 1. 3 r e s e ar c h er s. R e s e ar c h i s c o n d u ct e d i n c o- o p er ati o n wit h o ur a s s o ci at e d p art n er D W D a n d t h e E ur o p e a n C e nt er f or M e di u m- R a n g e W e at h er F or e c a st s ( E C M W F) a n d i s li n k e d t o t h e C O P E R NI C U S cli m at e s er vi c e. Fi g. 1. 4: S u bt o pi c 1. 3: T h e str at e g y c o m pri s e s t h e w h ol e c h ai n of k n o wl e d g e a c q ui siti o n a n d u s e of e x p eri m e nt al pr o c e s s r e s e ar c h, m o d el d e v el o p m e nt a n d a p pli c ati o n, a n d di s c o ur s e- b a s e d k n o wl e d g e tr a n sf er t o st a k e h ol d er s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 6 1

T o pi c 1: T h e At m o s p h er e i n Gl o b al C h a n g e c o ntri b ut e s wit h mil e st o n e s M 1. 9- 2, M 1. 1 0- 2 a n d t o d eli v er a bl e s D 1. 9, D 1. 1 0 ( C A R F s R E K LI M a n d HI- C A M, N F DI, C T A E xtr e m e s). T ail or e d i nf or m ati o n f or u s er s a n d st a k e h ol d er s ( KI T, H Z G). T h e pr e di cti o n of w e at h er, a n d p arti c ul arl y of e xtr e m e w e at h er i m p a ct s, i s of gr e at i m p ort a n c e t o s o ci et y i n a c h a n gi n g cli m at e. F o c u si n g o n hi g hl y s e n siti v e r e gi o n s ( e. g., Al pi n e r e gi o n, C e ntr al E ur o p e, M e dit err a n e a n r e gi o n, S u b- S a h ar a n Afri c a), t h e ai m i s t o pr o vi d e t ail or e d cli m at e i nf or m ati o n t ar g eti n g i n di vi d u al s o ci o- e c o n o mi c s e ct or s ( e n er g y, i n s ur a n c e) t o s u p p ort cli m at e c h a n g e a d a pt ati o n o n r e gi o n al t o l o c al s c al e s, e. g., t o w ar d s i m pr o v e d w at er- or e n er g y s u p pl y m a n a g e m e nt t hr o u g h b ett er-i nf or m e d pr e di cti o n s. E x a m pl e s of a p pli c ati o n s i n cl u d e t h e d e v el o p m e nt of b ett er pr e di cti o n of v ol c a ni c a s h i m p a ct s o n ti m e s c al e s of a f e w d a y s wit h t h e D W D a n d t h e q u a nti fi c ati o n of t h e c o st s of cli m at e c h a n g e t o n at ur al h az ar d ri s k s a fi e cti n g C e ntr al E ur o p e ( e. g., wi n d st or m a n d fi o o d l o s s e s) t o g et h er wit h i n s ur a n c e c o m p a ni e s. T hi s a cti vit y i s c o n d u ct e d i n cl o s e e x c h a n g e wit h t h e a cti viti e s i n T 4 a n d i nt e gr at e s t h e S o ut h G er m a n Cli m at e O ff c e a n d C E DI M. T hi s W P c o ntri b ut e s t o M 1. 1 0- 3 a n d D 1. 1 0 ( C T A E xtr e m e s, N F DI, C A R F HI- C A M). D eli v er a bl e s ( D) a n d Mil e st o n e s ( M) • • • D 1 . 8 ( 2 0 2 4): D o c u m e nt e d a s s e s s m e nt of c o n v e cti o n r e s ol vi n g m o d el s (I C O N) c o m p ar e d t o q u alit y- a s - s ur e d d at a s et s fr o m o b s er v ati o n al c a m p ai g n s ( KI T c u b e, AI D A, G N S S). M 1. 8- 1 ( 2 0 2 4): Pr ot ot y p e m o d el s y st e m s ( b a s e d o n I C O N /I C O N- A R T) f or pr o c e s s e s, s u b- s e a s o n al, s e a s o n al, d e c a d al pr e di cti o n s a n d cli - m at e pr oj e cti o n s at t h e kil o m et er s c al e f or e n h a n c e d pr e di cti o n s of w e at h er, c o m p o siti o n a n d r e gi o n al cli m at e a v ail a bl e. M 1. 8- 2 ( 2 0 2 4): S eri e s of pil ot o b s er v ati o n al c a m p ai g n s ( M O S E S, Cr o s sI n n, S c al e X, T e a m X Al pi n e c a m p ai g n s) o n b o u n d ar y l a y er e x c h a n g e pr o c e s s e s, cl o u d s a n d pr e ci pit ati o n ar e c o n d u ct e d i n cl u di n g n o v el c o m m er ci al mi cr o w a v e li n k s a s w ell a s n o v el G N S S t e c h ni q u e s. Q u alit y a s s ur e d d at a ar e a v ail a bl e vi a t h e A T M O- H U B ( p art of t h e H el m h oltz d at a m a n a g e m e nt i niti ati v e). D 1 . 9 ( 2 0 2 7): C o m pl et e d e v el o p m e nt a n d pr o vi si o n of a n I C O N /I C O N- A R T m o d el f or s e a ml e s s pr e di cti o n f or ti m e s c al e s fr o m w e at h er t o cli m at e pr e di cti o n s / pr oj e cti o n s. M 1. 9- 1 ( 2 0 2 7): D e v el o p m e nt of I C O N- L A M a n d I C O N- L E M wit hi n c o m m u nit y e fi ort s of H D( C P) 2, C L M, a n d a d v a n ci n g I C O N- A R T b y e x p a n di n g it s u s e t o cli m at e s c al e s. M 1. 9- 2 ( 2 0 2 7): A s s e s si n g I C O N pr e di cti v e s kill f or di fi er e nt f or e c a st h oriz o n s, i n p arti c ul ar, s u b- s e a s o n al a n d d e c a d al, a s w ell a s i n r e gi o n aliz e d hi g h-r e s ol uti o n pr oj e cti o n s. D 1 . 1 0 ( 2 0 2 7): F ut ur e w e at h er a n d cli m at e e xtr e m e s /i m p a ct s c e n ari o s b a s e d o n a c o m pr e h e n si v e e x p eri- m e nt / m o d eli n g e n d e a v or. M 1. 1 0- 1 ( 2 0 2 7): S eri e s of e x p a n d e d o b s er v ati o n al c a m p ai g n s o n pr o c e s s e s s h a pi n g e xtr e m e w e at h er e v e nt s ( c o n v e cti v e s y st e m s, st or m s, h e a v y pr e ci pit ati o n). M 1. 1 0- 2 ( 2 0 2 7): A s s e s s m e nt of m e a n c h a n g e s of w e at h er a n d w e at h er e xtr e m e s i n p a st a n d f ut ur e cli m at e s b y a m er g e d st ati sti c al a n d m o d eli n g a p pr o a c h. M 1. 1 0- 3 ( 2 0 2 7): E st a bli s h m e nt of pl atf or m s of pr o v e n m et h o d s i n t h e tr a n sf er of t ail or e d i nf or m ati o n o n cli m at e a n d pr e di cti o n s f or u s er s a n d st a k e h ol d er s. I nfr a str u ct ur e s a n d s p e ci fi c r e s o ur c e s. KI T c u b e, t h e a d v a n c e d i nt e gr at e d at m o s p h eri c o b s er v ati o n s y st e m, i s t h e m ai n i nfr a str u ct ur e of t h e S Ts. It all o w s d et ail e d pr o c e s s st u di e s o n l a n d s urf a c e – b o u n d ar y l a y er pr o- c e s s e s, tr o p o s p h eri c tr a n s p ort, a n d t h e e v ol uti o n of m oi st a n d d e e p c o n v e cti o n. I n si d e Cl o u d s, a KI T i n v e st - m e nt t o d e v el o p c utti n g- e d g e r e s e ar c h pl atf or m s, e xt e n d s KI T c u b e wit h i n str u m e nt ati o n f or v erti c al pr o fili n g of t ur b ul e nt fl u x e s ( F L U X c u b e), w hi c h ar e cr u ci all y mi s si n g p ar a m et er s, a s w ell a s n e w a er o s ol- m e a s ur e m e nt i n str u m e nt ati o n. It i s i nt e n d e d t o m a k e KI T c u b e a D F G C or e F a cilit y a n d t o pr o vi d e n e w a c c e s s o pti o n s f or r e s e ar c h er s b e y o n d KI T, i n cl u di n g st u d e nt e d u c ati o n a n d pr a cti c al r e s e ar c h tr ai ni n g. G F Z o p er at e s a d v a n c e d o p er ati o n al G N S S pr o c e s si n g c e nt er s b a s e d o n d at a fr o m gr o u n d n et w or k s a n d r a di o o c c ult ati o n s at ellit e s, c o m pl e m e nt e d b y a V L BI a n al y si s f a cilit y. T h eir c a p a biliti e s will b e i m pr o v e d a n d e xt e n d e d b y t h e a p pli c ati o n of t h e G N S S- R e ff e ct o m etr y f or i n n o v ati v e a n d c o m pl e m e nt ar y o b s er v ati o n s o v er l a n d, s e a, a n d i c e (li n k t o T 2). C o ntri b uti o n s e xi st t o t h e Gl o b al Cli m at e O b s er vi n g S y st e m ( G C O S) wit h S T 1. 2. C o o p er ati o n p art n er s. R e s e ar c h i n S T 1. 3 c o ntri b ut e s str o n gl y t o t h e i nt er n ati o n all y or g a niz e d r e s e ar c h a g e n - d a s of W C R P a n d W W R P. A n i m p ort a nt li n k i s t h e W W R P Hi g h I m p a ct W e at h er Pr oj e ct ( HI W e at h er) t h at pr o - m ot e s r e s e ar c h r e g ar di n g t h e f or e c a sti n g of hi g h-i m p a ct w e at h er e v e nt s t o w ar d s i n cr e a s e r e sili e n c e a g ai n st p ot e nti al di s a st er s. Of si mil ar r el e v a n c e ar e t h e s u b- s e a s o n al t o s e a s o n al ( S 2 S) pr oj e ct of W W R P / W C R P, a s w ell a s t h e W C R P C O R D E X Fl a g s hi p a cti viti e s L U C A S a n d C o n v e cti o n, i n v ol vi n g m a n y S T 1. 3 r e s e ar c h er s. O n Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 6 3

T o pi c 1: T h e At m o s p h er e i n Gl o b al C h a n g e o b s er v ati o n al i nfr a str u ct ur e a n d c o m p ut er r e s o ur c e s, eit h er wit hi n t h e T o pi c, i n c oll a b or ati o n wit h ot h er T o pi c s i n t h e Pr o gr a m or vi a e xt er n al p art n er s ( e. g., D W D a n d D L R). T h e n e e d t o c o nti n u o u sl y d e v el o p a n d r e n e w t hi s i nfr a str u ct ur e i s b ot h a n o p p ort u nit y a n d a ri s k. W e a d dr e s s t hi s ri s k b y st a yi n g at t h e f or efr o nt of d e v el o p- m e nt s t hr o u g h c o nti n u al r e fi n e m e nt a n d i n n o v ati o n of s e n s or s a n d m o d eli n g s y st e m s, a n d b y c o m pr e h e n si v e n ati o n al a n d i nt er n ati o n al c oll a b or ati o n s. E) Pr e vi o u s a c hi e v e m e nt s of t h e c o ntri b uti n g c e nt er s a n d i nfr a str u ct ur e s E x p erti s e a n d pr eli mi n ar y w or k. T h e s ci e nti fi c a c hi e v e m e nt s of T 1 s ci e nti st s ar e d e s cri b e d i n d et ail i n t h e P o F III S ci e nti fi c St at u s R e p ort s of 2 0 1 7 / 1 8. T h e y w er e e v al u at e d a s o v er all ‘ o ut st a n di n g’ b y t h e i nt er n ati o n al r e vi e w p a n el. I n t h e f oll o wi n g, w e hi g hli g ht s o m e of t h e s e e ff ort s a n d r e c e nt d e v el o p m e nt s ( 2 0 1 7 – 1 9) n ot c o v - er e d b y t h e St at u s R e p ort s. T h e s ci e nti st s of S T 1. 1 Air Q u alit y bri n g t o g et h er e x c ell e n c e i n m o d eli n g a n d o b s er v ati o n- b a s e d at m o s p h eri c c h e mi str y a n d r e gi o n al m o d eli n g. L ar g e- s c al e o b s er v ati o n al a n d e x p eri m e nt al f a ciliti e s s er v e t o e n h a n c e u n - d er st a n di n g of cli m at e c h a n g e i m p a ct s o n air q u alit y, a n d vi c e- v er s a. Pr e vi o u s pi o n e eri n g fi n di n g s of u n e x - p e ct e dl y hi g h c o n c e ntr ati o n s of t h e h y dr o x yl r a di c al ( O H) o b s er v e d i n t h e fi el d, 3 4 a ut o- o xi d ati o n r e a cti o n s of bi o g e ni c v ol atil e or g a ni c c o m p o u n d s, 3 5 a n d t h e e fi e ct of mi xt ur e s o n a er o s ol f or m ati o n3 6 h a s sti m ul at e d m u c h n e w r e s e ar c h. T h e I A G O S pr o gr a m pr o vi d e s a p o w erf ul r ef er e n c e d at a s et of w at er v a p or, oz o n e, a n d nitr o g e n o xi d e s f or gl o b al m o d el e v al u ati o n. T h e G E RI C S r e gi o n al m o d eli n g t e a m d e v el o p e d a st a k e h ol d er d e - ci si o n- m a ki n g t o ol kit t h at i nt e gr at e s p h y si c al a n d s o ci o- e c o n o mi c m o d el s a n d d at a. T h e p art n er s of S T 1. 2 Cli m at e F e e d b a c k s u ni q u el y c o m bi n e o b s er v ati o n s, pr o c e s s- ori e nt e d si m ul ati o n s, a n d E art h s y st e m m o d eli n g t o u n d er st a n d c h a n g e s i n at m o s p h eri c c o m p o siti o n, cir c ul ati o n, a n d i nt er a cti o n s wit h t h e l a n d s urf a c e t h at dri v e r e gi o n al a n d gl o b al cli m at e c h a n g e. Pi o n e eri n g w or k o n t h e c o m p o siti o n of t h e A si a n Tr o p o p a u s e A er o s ol L a y er ( A T A L), 3 7 i c e n u cl e ati o n st u di e s, 3 8 r e c o n cili ati o n of oz o n e l o s s a n d a s s e s s m e nt s of g e o- e n gi n e eri n g h az ar d s, s er v e s a s a s oli d b a si s f or t h e n e w w or k pr o gr a m. T h e p art n er s o p er at e a u ni q u e s et of i nt er n ati o n all y u s e d i nfr a str u ct ur e s, i n cl u di n g AI D A, I A G O S- C A RI BI C, N D A C C st ati o n s, T E R E N O- pr e Al pi n e, 3 9 G N S S, a n d c o ntri b ut e t o n o v el air b or n e i n str u m e nt ati o n ( e. g., G L O RI A) a n d s at ellit e s ( At m o S at c o n c e pt, S p ati al H et er o d y n e S p e ctr o m et er s). C o u pl e d p h y si c al a n d s o ci al- di m e n si o n s m o d el s e x- pl or e s o ci o- e c ol o gi c al f e e d b a c k s i n t h e l a n d- s y st e m, s y n er gi e s, a n d tr a d e- o fi s i n cli m at e c h a n g e miti g ati o n a n d a d a pt ati o n m e a s ur e s. 4 0 Hi g hl y a d v a n c e d pr o c e s s- b a s e d m o d eli n g c a p a cit y, i n cl u di n g st a bl e i s ot o p e a p- pr o a c h e s, 4 1 i s d e v el o p e d t o q u a ntif y t h e r ol e of l a n d e c o s y st e m s i n t h e E art h s y st e m, r e gi o n all y a n d gl o b all y.4 2 H y dr o m et e or ol o gi c al o b s er v at ori e s a n d m o d eli n g i n cli m at e- s e n siti v e r e gi o n s s u c h a s r ur al W e st Afri c a s u p - p ort t h e h u m a n c a p a cit y b uil di n g i n d e v el o pi n g c o u ntri e s. I n S T 1. 3 F ut ur e W e at h er a n d E xtr e m e s , r e n o w n e d e x p ert s o n t h e d e v el o p m e nt a n d a p pli c ati o n of b ot h c o m- pl e x o b s er v ati o n al a n d n u m eri c al m o d el s y st e m s c o o p er at e o n t hr e e fl a g s hi p pr o gr a m s, t h e AI D A c h a m b er, t h e KI T c u b e, a n d I C O N- A R T. T h e AI D A a er o s ol a n d cl o u d c h a m b er i s a n u n p ar all el e d f a cilit y, w hi c h a cti v el y f a cilit at e s c oll a b or ati o n wit h 3 5 i nt er n ati o n al r e s e ar c h gr o u p s, a n d h a s l e d t o u ni q u e r e s e ar c h i n t h e ar e a s of 3 4 * R o hr er F, et al. 2 0 1 7. N at ur e G e o s ci e n c e. 7. d oi: 1 0. 1 0 3 8 / N G E O 2 1 9 9. 3 5 * E h n M, et al. 2 0 1 7 A l ar g e s o ur c e of l o w- v ol atilit y s e c o n d ar y or g a ni c a er o s ol. N at ur e. 5 0 6( 7 4 8 9): 4 7 6 – 4 7 9. 3 6 * M c Fi g g a n s G, et al. 2 0 1 9. S e c o n d ar y or g a ni c a er o s ol r e d u c e d b y mi xt ur e of at m o s p h eri c v a p o ur s. N at ur e. 5 6 5: 5 8 7 – 5 9 3. 3 7 * H ö pf n er M, et al. 2 0 1 9. N at ur e G e o s ci e n c e. a c c e pt e d. 3 8 * Ki s el e v A, et al. 2 0 1 7. A cti v e sit e s i n h et er o g e n e o u s i c e n u cl e ati o n ? T h e e x a m pl e of K-ri c h f el d s p ar s. S ci e n c e. 3 5 5( 6 3 2 3): 3 6 7 – 3 7 1. 3 9 * Ki e s e R, et al. 2 0 1 8. T h e T E R E N O Pr e- Al pi n e O b s er v at or y: I nt e gr ati n g M et e or ol o gi c al, H y dr ol o gi c al, a n d Bi o g e o c h e mi c al M e a s ur e- m e nt s a n d M o d eli n g. V a d o s e Z o n e J o ur n al. 1 7( 1): 1 8 0 0 6 0. 4 0 * Br o w n C, et al. 2 0 1 9. A c hi e v e m e nt of P ari s cli m at e g o al s u nli k el y d u e t o ti m e l a g s i n t h e l a n d s y st e m. N at Cli m C h a n g e. 9: 2 0 3- 2 0 8. 4 1 * D e n k T R A, et al. 2 0 1 9. C o n str ai ni n g N c y cli n g i n t h e e c o s y st e m m o d el L a n d s c a p e D N D C wit h t h e st a bl e i s ot o p e m o d el SI M O N E. E c ol o g y. 1 0 0( 5): e 0 2 6 7 5. 4 2 * Ar n et h A, et al. 2 0 1 7. Hi st ori c al c ar b o n di o xi d e e mi s si o n s c a u s e d b y l a n d- u s e c h a n g e s ar e p o s si bl y l ar g er t h a n a s s u m e d. N at ur e G e o s ci e n c e. 1 0( 2): 7 9 – 8 4. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 6 5

T o pi c 1: T h e At m o s p h er e i n Gl o b al C h a n g e • • • • s u p p ort of t ail or e d r e s e ar c h e n vir o n m e nt a n d h u m a n c a p a cit y b uil di n g i n d e v el o pi n g c o u ntri e s, o ut p ut- ori e nt e d p art n er s hi p s wit h c o m p a ni e s (i n s ur a n c e s, Br u k er C or p.), pr o vi si o n of n e ar-r e al-ti m e e m er g e n c y i nf or m ati o n o n c urr e nt di s a st er s a n d t h eir i m p a ct s ( vi a C E DI M 4 5 wit h W orl d B a n k, U N R eli ef W e b), e c o n o mi c, c ult ur al a n d s o ci al d e v el o p m e nt wit h a f o c u s o n h o m e-r e gi o n s of c e nt er s ( cli m at e s er vi c e s, k n o wl e d g e tr a n sf er, o utr e a c h, st a k e h ol d er e x c h a n g e) I n t hi s c o nt e xt, w e h a v e i d e nti fi e d k e y str at e gi c c oll a b or ati o n s wit h n ati o n al a n d i nt er n ati o n al p art n er s t h at alr e a d y e xi st, b ut will b e str e n gt h e n e d i n t h e f ut ur e, t o t a c kl e gl o b al c h all e n g e s i n j oi nt l o n g-t er m pr oj e ct s o n a s u st ai n a bl e b a si s. N a m e of str at e gi c p art n er Fi el d s of c o o p er ati o n J oi nt e fi ort s + p er s p e cti v e s G er m a n W e at h er S er vi c e ( D W D) G er m a n A er o s p a c e C e nt er ( D L R) P e ki n g U ni v er sit y U C A R / N C A R U ni v er sit y of L e e d s R e s e ar c h S T 1. 1 / S T 1. 2 / S T 1. 3 [ a s s o ci at e d p art n er of A T M O Pr o gr a m si n c e 2 0 1 3, f or m al a gr e e - m e nt 2 0 1 9] K n o wl e d g e Tr a n sf er T al e nt M a n a g e m e nt J oi nt pr oj e ct s i n w e at h er a n d c o m p o siti o n f or e c a st, d e c a d al cli m at e pr e di cti o n, I C O S, c o n v e cti v e s c al e d at a a s si mil ati o n; cli m at e s er vi c e s J oi nt m o d el d e v el o p m e nt + i m pl e m e nt ati o n R e s e ar c h S T 1. 1 / S T 1. 2 / S T 1. 3 [ a s s o ci at e d p art n er of A T M O Pr o gr a m 2 0 0 4 – 0 8, si n c e 2 0 1 3] I nfr a str u ct ur e J oi nt air cr aft c a m p ai g n s ( H A L O); mi d dl e at m o s p h er e d y n a mi c s + gr e e n h o u s e- g a s r e m ot e s e n si n g fr o m gr o u n d- b a s e d pl atf or m s ( T C C O N, C o C C O N) a n d s at ellit e s ( G O S A T, O C O- 2, M E R LI N, G 3 E). J oi nt m o d el d e v el o p m e nt + i m pl e m e nt ati o n R e s e ar c h S T 1. 1 K n o wl e d g e Tr a n sf er T al e nt M a n a g e m e nt Cl o s e c oll a b or ati o n si n c e 2 0 0 4, M o U si n c e 2 0 0 9 a n d e xt e n d e d 2 0 1 4 R e gi o n al air p oll uti o n c o ntr ol – I m p a ct i n C hi n e s e Air Q u alit y a cti o n s; at m o s p h eri c m e a s ur e m e nt s ‘I nt er n ati o n al J oi nt L a b o n R e gi o n al P oll uti o n C o ntr ol’ (IJ R C) wit h P K U ( 2 0 1 9), St u d e nt a n d p o st d o c e x c h a n g e R e s e ar c h S T 1. 2 I nfr a str u ct ur e M o U si n c e 2 0 1 2, e xt e n d e d 2 0 1 7 u ntil 2 0 2 3 J oi nt air cr aft c a m p ai g n s; m o d eli n g of l a n d u s e c h a n g e i m p a ct s o n e c o s y st e m s a n d cli m at e; T 1 s ci e nti st s ar e s ol e E ur o p e a n p art n er s of n e w N C A R A nt ar cti c c a m p ai g n S O C R A T E S R e s e ar c h S T 1. 2 / S T 1. 3 T al e nt M a n a g e m e nt / E d u c ati o n L o n g- st a n di n g c oll a b or ati o n, M o U si g n e d 2 0 1 9 A er o s ol- cl o u d pr o c e s s e s; Afri c a r e s e ar c h, m aj or fi el d e x p eri m e nt s E x c h a n g e of st u d e nt s, p o st gr a d u at e s a n d st a ff ( S u m m er s c h o ol s o n P h. D. l e v el, Er a s m u s) O b s er v ati o n s a n d m o d eli n g of G H G e fi e cti v e n e s s f or a gri c ult ur al m a n a g e m e nt pr a cti c e s a n d l a n d u s e c h a n g e; j oi nt pr oj e ct s a n d o p er ati o n of r e s e ar c h l a b or at ori e s E x c h a n g e of s ci e nti st s ( ≈ 2 0 y e ar s); j oi nt s u p p ort of P h. D. st u d e nt s C o n s ult ati v e Gr o u p o n I nt er- n ati o n al A gri c ult ur al R e s e ar c h ( C GI A R) I n stit ut e s R e s e ar c h S T 1. 2 T al e nt M a n a g e m e nt / E d u c ati o n L o n g-t er m c o- o p er ati o n si n c e 2 0 0 0 (I R RI, I L RI) 4 5 C e nt er of Di s a st er M a n a g e m e nt: f or e n si c di s a st er a n al y s e s a n d ri s k r e d u cti o n t e c h n ol o g y. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 6 7

T o pi c 1: T h e At m o s p h er e i n Gl o b al C h a n g e • • S ci e n c e- p oli c y c o n s ulti n g f or g o v er n m e nt s a n d g o v er n m e nt- a g e n ci e s at all l e v el s Dir e ct i m pl em e nt ati o n of r e s e ar c h r e s ult s i n j oi nt pr oj e ct s wit h, e. g., D W D or i n d u str y T h e b a si s of s ci e n c e a n d t e c h n ol o g y tr a n sf er s u p pli e d b y T 1 i s t h e s ci e nti fi c e x p erti s e d e v el o p e d a n d a c hi e v e d t hr o u g h r e s e ar c h i n it s S u bt o pi c s a s a c o ntri b uti o n t o S y n C o m. A pri m ar y c h a n n el of s ci e n c e tr a n sf er i n T 1 i s t hr o u g h t h e t e a c hi n g of u ni v er sit y d e gr e e pr o gr a m s. B e y o n d t h at, T 1 will f urt h er d e v el o p s ci e n c e a n d t e c h n ol o g y tr a n sf er c o n c e pt s t o s er v e l e gi sl ati v e a n d g o v er n m e nt i n- stit uti o n s at all l e v el s, e c o n o m y, t h e p u bli c, a n d t h e wi d er r e s e ar c h a n d p u bli c s er vi c e s c o m m u niti e s, a s a b a si s f or s ci e n c e- b a s e d d e ci si o n- m a ki n g. T hi s will b e a c hi e v e d m o st pr o mi n e ntl y t hr o u g h t h e a cti v e p arti ci p ati o n i n i nt er n ati o n al a s s e s s m e nt s a n d r e p ort s (i n cl u di n g I P C C, I P B E S, T O A R, W M O, U N E C E- H T A P, a n d L R T A P). O n t h e l o c al a n d r e gi o n al l e v el, s ci e n c e tr a n sf er will t a k e pl a c e vi a di s c o ur s e wit h p oliti ci a n s a n d p u bli c st a k e h ol d er gr o u p s (i n G er m a n y a n d i nt er n ati o n all y) t hr o u g h cr o s s- c utti n g i niti ati v e s ( R E K LI M, HI- C A M), m o d ul e s i n t h e G E RI C S a d a pt ati o n t o ol kit f or citi e s ( S T 1. 1), t ail or e d cli m at e s er vi c e f or s p e ci fi c r e gi o n al a d a pt ati o n m e a s ur e s i n, e. g., a gri c ult ur e, f or e str y, or cit y pl a n ni n g ( S T 1. 2), a n d o n n at ur al ri s k s b y C E DI M a n d t h e R e gi o n al H el m- h oltz Cli m at e O fi c e s ( S T 1. 3). C o n si d er a bl e t e c h n ol o g y tr a n sf er i n T 1 will b e a c hi e v e d b y t h e f urt h er d e v el o p m e nt of i n str u m e nt ati o n a n d s oft w ar e t o ol s f or d at a a n al y si s a n d m o d eli n g, a n d m a ki n g t h e s e a c c e s si bl e t o st a k e h ol d er gr o u p s, i n cl u di n g t h e i n s ur a n c e i n d u str y, w e at h er a n d di s a st er m a n a g e m e nt s er vi c e s, g o v er n m e nt a g e n ci e s, u ni v er siti e s, a n d r e s e ar c h i n stit uti o n s w orl d wi d e. W h er e a p pr o pri at e, i nt ell e ct u al pr o p ert y ri g ht s ar e a s s ur e d t hr o u g h p at e nt s a n d li c e n s e s. K n o wl e d g e tr a n sf er t o t h e p u bli c a b o ut i m p a ct s of t h e at m o s p h er e i n gl o b al c h a n g e i s a c hi e v e d t hr o u g h p u bli c l e ct ur e s, t ut ori al s wit h s c h o ol s, st a k e h ol d er di al o g u e s, w e b i nf or m ati o n s y st e m s 4 6 a n d i nf or m ati o n m a- t eri al c o or di n at e d t hr o u g h t h e R e gi o n al H el m h oltz Cli m at e O ff c e s, R E K LI M, a n d S y n C o m. I n a st e p t o w ar d s r e s e ar c h f or a n d wit h s o ci et y, T 1 will i m pl e m e nt i n n o v ati v e Citiz e n S ci e n c e pr oj e ct s t o e n h a n c e p u bli c a n d s ci e nti fi c a w ar e n e s s of c h all e n g e s a s s o ci at e d wit h t h e at m o s p h er e i n gl o b al c h a n g e, s u c h a s wit hi n t h e l ar g e B M B F-f u n d e d pr oj e ct s MI K LI P, Cli m Xtr e m e, a n d R e gI Kli m, w h er e T 1 r e s e ar c h er s h a v e c o-l e a di n g r ol e s. T 1 i s a pi o n e er i n pr o vi di n g o p e n a c c e s s d at a ( e. g., I A G O S d at a h a v e b e e n pr o vi d e d fr e e of c h ar g e si n c e 1 9 9 4 a n d T E R E N O d at a si n c e 2 0 1 0). It will s er v e t h e wi d er r e s e ar c h c o m m u nit y t hr o u g h f urt h er d e v el o pi n g c o n- c e pt s of d at a s er vi c e s a n d m a n a g e m e nt c o m pl yi n g wit h F AI R pri n ci pl e s ( E N V RI- F AI R) , i n p arti c ul ar wit h t h e s o- c all e d A T M O- H U B a s p art of a d at a m a n a g e m e nt c o n c e pt f or t h e w h ol e Pr o gr a m. F AI R d at a e n h a n c e s t h e e fi ci e n c y a n d pr o d u cti vit y of r e s e ar c h er s, s u p p ort s i n n o v ati o n, a n d e n a bl e s d at a- a n d k n o wl e d g e- b a s e d d e ci si o n- m a ki n g. C a p a cit y b uil di n g i s m ai nl y dri v e n t hr o u g h t h e i n stit uti o n aliz e d o p er ati o n of i nt er n ati o n al a n d j oi nt l a b or at o- ri e s, s u c h a s t h e I nt er n ati o n al J oi nt L a b or at or y o n At m o s p h eri c C h e mi str y ( F ZJ, P K U), t h e H el m h oltz i nt er n a - ti o n al l a b or at or y A er o H E A L T H ( H M G U, F ZJ, W eiz m a n n I n stit ut e), t h e W A S C A L C o m p et e n c e C e ntr e i n B ur ki n a F a s o ( KI T), t h e I nt er n ati o n al Ri c e R e s e ar c h I n stit ut e (I R RI) i n t h e P hili p pi n e s ( KI T) a n d t h e I nt er n ati o n al Li v e - st o c k R e s e ar c h I n stit ut e (I L RI) i n K e n y a ( KI T). 4 6 A s e x a m pl e s, s e e t h e o nli n e N O x nitr at e l e a c hi n g i n gr a s sl a n d m a n a g e m e nt ( s e e htt p s: //d s s. s u s al p s. d e / d e m o /). c al c ul at or ( s e e htt p s://sti c k o xi d-r e c h n er. d e /), or a t o ol f or f ar m er s t o mi ni miz e G H G e mi s si o n s a n d Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 6 9

T o pi c 2: O c e a n a n d Cr y o s p h er e i n Cli m at e S p o k e s p er s o n s: T h o m a s J u n g, A WI; D e p ut y: K atj a M att h e s, G E O M A R T o pi c 2 will a d v a n c e t h e u n d er st a n di n g of p a st, pr e s e nt a n d f ut ur e c h a n g e s of t h e cli m at e s y st e m fr o m a n o c e a n a n d cr y o s p h er e p er s p e cti v e b y cl o si n g criti c al k n o wl e d g e g a p s r el at e d t o w ar mi n g cli m at e s, v ari a bilit y a n d e xtr e m e s a s w ell a s s e a l e v el c h a n g e f or t h e b e n e fit of s o ci et y. T h e n e w k n o wl e d g e o n i m p ort a nt p ar a m et er s s u c h a s l a n d a n d s e a i c e, s e a l e v el a n d o c e a n c urr e nt s y st e m s al o n g wit h a d v a n c e d r e s e ar c h m et h o d ol o gi e s will e n h a n c e pr o g n o sti c c a p a citi e s fr o m t h e p ol e s t o t h e tr o pi c s a n d fr o m d ail y t o mill e n ni al ti m e s c al e s. A s p e ci fi c f o c u s i s o n t h e i m- pr o v e m e nt of r e gi o n al e sti m at e s of c h a n g e s f or t h e y e ar s 2 0 3 0, 2 0 5 0 a n d 2 1 0 0, a n d p at h w a y s i nt o a 1. 5 ° C, 2 ° C a n d 4 ° C w ar m er w orl d. T h er e b y, T o pi c 2 will pr o vi d e a cti o n a bl e k n o wl e d g e f or a wi d e r a n g e of cli m at e- o c e a n- cr y o s p h er e s er vi c e s a n d i nf or m d e ci si o n- m a k er s o n c urr e nt a n d pl a u si bl e f ut ur e cli m at e st at e s; it will al s o s er v e a s a b a si s t o d e v el o p miti g ati o n a n d a d a pt ati o n str at e gi e s. A) S c o p e a n d c h all e n g e of t h e T o pi c R e s e ar c h s u bj e ct. T h e o c e a n a n d cr y o s p h er e ar e t w o c e ntr al c o m p o n e nt s of t h e E art h s y st e m. T h e o c e a n c o v er s 7 0 % of t h e E art h’ s s urf a c e a n d a ct s a s a b u fi er of t h e cli m at e s y st e m, b al a n ci n g e xtr e m e t e m p er at ur e ff u ct u ati o n s a n d r e di stri b uti n g h e at b et w e e n tr o pi c al a n d p ol ar l atit u d e s. Si n c e t h e i n d u stri al r e v ol uti o n, t h e o c e a n h a s a b s or b e d a b o ut 9 0 % of t h e h e at tr a p p e d i n t h e cli m at e s y st e m i n r e s p o n s e t o i n cr e a si n g at m o s p h er - i c gr e e n h o u s e g a s c o n c e ntr ati o n s a n d 3 0 % of t h e C O2 t h at h u m a n s h a v e r el e a s e d i nt o t h e at m o s p h er e. S e a i c e c o v er s v a st ar e a s of t h e p ol ar o c e a n s a n d m o d ul at e s t h e e n er g y b al a n c e b et w e e n t h e s urf a c e a n d t h e at m o - s p h er e. I c e s h e et s ar e t h e gr e at e st p ot e nti al s o ur c e of fr e s h w at er, c orr e s p o n di n g t o a b o ut 7 0 m of s e a l e v el e q ui v al e nt. T h e e fi e ct s of a nt hr o p o g e ni c cli m at e c h a n g e h a v e a cl e ar, m e a s ur a bl e i m p a ct o n t h e o c e a n a n d t h e cr y o s p h er e. T h e o c e a n i s w ar mi n g a n d b e c o mi n g m or e a ci di c wit h i m pli c ati o n s f or criti c al e c o s y st e m s er vi c e s; s e a l e v el i s ri si n g, p artl y f u el e d b y i n cr e a si n g m elt r at e s of i c e s h e et s a n d s h el v e s; a n d s e a i c e i s r etr e ati n g a n d t h e cir c ul ati o n i s c h a n gi n g wit h s u b st a nti al i m p a ct s o n gl o b al a n d r e gi o n al cli m at e. T o pi c 2 ( T 2) e x pl or e s t h e r ol e of t h e o c e a n a n d t h e cr y o s p h er e i n cli m at e a cr o s s a wi d e r a n g e of ti m e s c al e s fr o m d a y s t o mill e n ni a a n d fr o m t h e p a st a n d pr e s e nt i nt o t h e f ut ur e. S p e ci al e m p h a si s will b e pl a c e d o n e v al- u ati n g t h e c o n s e q u e n c e s of p o s si bl e f ut ur e cli m at e s i n a w ar m er w orl d, wit h a f o c u s o n c h a n g e s i n r e gi o n al s e a l e v el, o c e a n c urr e nt s y st e m s, s e a i c e a n d i c e s h e et s. E fi ort s will f o c u s o n u nr a v eli n g t h e m e c h a ni s m s c o n - tr olli n g r e gi o n al m o d e s of cli m at e v ari a bilit y a n d e xtr e m e e v e nt s. T 2 will d e v el o p a n d a p pl y a d v a n c e d r e s e ar c h m et h o d ol o gi e s i n cl u di n g n o v el i n sit u a n d r e m ot e s e n si n g o b s er vi n g s y st e m s, n e w p al e o pr o xi e s, i n n o v ati v e a n al yti c s, a d v a n c e d t h e or y a n d n u m eri c al m o d el s a s w ell a s i n n o v ati v e d at a s ci e n c e c o n c e pt s. T 2 will pr o vi d e i m pr o v e d e sti m at e s of u n c ert ai nt y a n d pr o g n o sti c c a p a cit y f or st a k e h ol d er-r el e v a nt p ar a m et er s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 7 1

T o pi c 2: O c e a n a n d Cr y o s p h er e i n Cli m at e Hi g hli g ht s. M O S Ai C ( M ulti di s ci pli n ar y Drifti n g O b s er v at or y of t h e St u d y of Ar cti c Cli m at e): T h e fi a g s hi p pr oj e ct M O S Ai C will pr o vi d e a n u n pr e c e d e nt e d d at a s et of t h e f u n cti o ni n g of t h e Ar cti c cli m at e s y st e m o v er a f ull a n n u al c y cl e, i n cl u di n g t h e p o orl y- o b s er v e d wi nt er s e a s o n. T h e d at a g ai n e d fr o m t h e o b s er v ati o n al n et w or k of M O S Ai C will all o w i m pr o vi n g o ur u n d er st a n di n g, a n d t h u s e xi sti n g p ar a m etriz ati o n s, of pr o c e s s e s g o v er ni n g Ar c - ti c A m pli fi c ati o n a n d t h e a s s e s s m e nt of a n e w g e n er ati o n of hi g h-r e s ol uti o n w e at h er a n d cli m at e m o d el s ( d o w n t o 1 k m r e s ol uti o n) e x pli citl y r e s ol vi n g s m all- s c al e pr o c e s s e s ( e. g., t h o s e r el at e d t o s e a i c e l e a d s) f or a d v a n c e d pr e di cti o n s a n d pr oj e cti o n s i n t h e Ar cti c a n d b e y o n d. M O S Ai C d at a will b e e x pl oit e d j oi ntl y wit h T 1 a n d T 6. U p w elli n g i n a c h a n gi n g w orl d: O c e a ni c u p w elli n g s y st e m s i n t h e tr o pi c s a n d mi d-l atit u d e s, m ai nl y l o c at e d at e a st er n o c e a n b o u n d ari e s, h o st t h e m o st pr o d u cti v e e c o s y st e m s i n t h e w orl d a n d ar e f u n d a m e nt all y i m - p ort a nt f or fi s h eri e s a n d f o o d s e c urit y ( T 6). U p w elli n g s y st e m s ar e s u bj e ct t o l ar g e n at ur al v ari a bilit y o n ti m e s c al e s fr o m w e e k s ( wi n d- dri v e n u p w elli n g e v e nt s) t o d e c a d e s (i n a s s o ci ati o n wit h di ff er e nt cli m at e m o d e s), t o c e nt ur y-l o n g tr e n d s a s d o c u m e nt e d i n s e di m e nt ar y r e c or d s. Gl o b al w ar mi n g i m p a ct s u p w elli n g s y st e m s b ut t h e m a g nit u d e a n d e xtr e m e s of t h e s e i m p a ct s, f or e x a m pl e o n t h e o c c urr e n c e of h y p o xi a, ar e l ar g el y u n - k n o w n, al s o h a m p er e d b y t h e p o or r e pr e s e nt ati o n of s m all- s c al e n e ar- c o a st al pr o c e s s e s i n c urr e nt n u m eri c al o c e a n s y st e m m o d el s. T 2 will d e v el o p a n d d e si g n c o a st al u p w elli n g st u di e s o fi N ort h w e st Afri c a (r el yi n g o n e st a bli s h e d c oll a b or ati o n wit h C a p e V er d e, M a urit a ni a, a n d S e n e g al, a s w ell a s i n t h e fr a m e of t h e p a n- Atl a nti c o c e a n o b s er vi n g s y st e m a n d wit h ot h er i nt er n ati o n al p art n er s), f o c u si n g o n o c e a n s y st e m d y n a mi c s a n d will i m pr o v e t h e r e pr e s e nt ati o n of t h e s e pr o c e s s e s i n o p er ati o n al u p w elli n g f or e c a st s ( C o p er ni c u s M ari n e E n vir o n- m e nt M o nit ori n g S er vi c e, C M E M S). C h all e n gi n g n u m eri c al m o d el s i n t h eir a bilit y t o r e pr e s e nt t h e f ull r a n g e of n at ur al cli m at e v ari a bilit y: K n o wi n g t h e m a g nit u d e of n at ur al cli m at e v ari a bilit y i s i m p ort a nt f or t h e d et e cti o n a n d attri b uti o n of a nt hr o- p o g e ni c cli m at e c h a n g e a n d t h e pr oj e cti o n of f ut ur e cli m at e c h a n g e s. R e s e ar c h i n P o F III h a s r e v e al e d stri ki n g a n d y et u n e x pl ai n e d di s cr e p a n ci e s b et w e e n r e gi o n al s e a s urf a c e t e m p er at ur e v ari a bilit y i n st at e- of-t h e- art cli m at e m o d el s a n d p al e o-r e c o n str u cti o n s o n d e c a d al a n d l o n g er ti m e s c al e s, s u g g e sti n g t h at cli m at e m o d el s u n d er e sti m at e t h e m a g nit u d e of i nt er n al v ari a bilit y a s w ell a s t h e cli m at e r e s p o n s e t o n at ur al f or ci n g s. T 2 will bri n g t o g et h er n e w l o n g-t er m i n str u m e nt al o b s er v ati o n s, hi g h-r e s ol uti o n p al e o-r e c o n str u cti o n s, cli m at e d y n a mi c s a n d a d v a n c e d cli m at e m o d eli n g t o ri g or o u sl y c o ntr a st t h e cli m at e m o d el s’ n at ur al v ari a bilit y wit h o b s er v ati o n s o v er a br o a d r a n g e of ti m e s c al e s. B y b ett er r e pr e s e nti n g n at ur al cli m at e v ari a bilit y, t hi s w or k will i m pr o v e f ut ur e cli m at e pr oj e cti o n s n e e d e d f or s uit a bl e a d a pt ati o n str at e gi e s, i n p arti c ul ar o n a r e gi o n al s c al e. R e ali z ati o n of t h e n e xt- g e n er ati o n m a s s c h a n g e mi s si o n ( M C M): A n e xt- g e n er ati o n M C M s h all b e r e aliz e d b y a n ot h er U S- G er m a n c o o p er ati o n a n d e xt e n d t h e G R A C E / G R A C E- F O o b s er v ati o n p eri o d t o o bt ai n r eli a bl e st ati sti c s a n d t o si g ni fi c a ntl y i n cr e a s e t h e s p ati o-t e m p or al r e s ol uti o n of m e a s ur e m e nt s ( s e e C h. 1. 4. 2 5 2 ). T h e M C M s c h e d ul e d f or l a u n c h i n 2 0 2 7 will pr o vi d e gr o u n d- br e a ki n g d at a, p arti c ul arl y f or r e s e ar c h c o v er e d b y T 2 a n d T 5, t h at will all o w u s t o, f or e x a m pl e, di s e nt a n gl e t h e e fi e ct of gl o b al w ar mi n g a n d cli m at e m o d e s o n s e a l e v el, m o nit or i c e s h e et m a s s b al a n c e s a n d pr o c e s s e s dri vi n g o c e a n cir c ul ati o n, st art r e s ol vi n g i n di vi d u al dr ai n a g e b a si n s of i c e s h e et s, a n d r e aliz e t h e o p er ati o n al u s e of s at ellit e gr a vit y pr o d u ct s f or n e ar r e al-ti m e a p pli c ati o n s, s u c h a s fi o o d al erti n g or gr o u n d w at er m o nit ori n g. B) M ai n r e s e ar c h a n d str u ct ur al o bj e cti v e s R e s e ar c h O bj e cti v e s. • • O bj e cti v e 1: Pr o vi d e t h e s ci e nti fl c f o u n d ati o n f or i m pr o v e d cli m at e pr oj e cti o n s t hr o u g h b ett er u n d er- st a n di n g of k e y o c e a n a n d cr y o s p h er e pr o c e s s e s g o v er ni n g p a st a n d c urr e nt w ar mi n g cli m at e s. O bj e cti v e 2: E n a bl e a m aj or a d v a n c e i n o ur a bilit y t o o b s er v e, u n d er st a n d, si m ul at e a n d pr e di ct n at ur al cli m at e v ari a bilit y a n d e xtr e m e e v e nt s al o n g wit h t h eir i m p a ct s fr o m a n o c e a n a n d cr y o s p h er e p er s p e cti v e. 5 2 Wit h M C M a n d M U S E ( M ari n e U m w eltr o b oti k u n d - S e n s ori k f ü r n a c h h alti g e Erf or s c h u n g u n d M a n a g e m e nt d er Kü st e n, M e er e u n d P ol arr e gi o n e n), T 2 s u p p ort s t w o str at e gi c i n v e st m e nt s. M U S E i s pr o p o s e d t o d e v el o p a n d i m pl e m e nt n e xt g e n er ati o n m ari n e r o b oti c s a n d s e n s or s y st e m s wit h t h e ai m t o f a cilit at e s ci e n c e f or u p c o mi n g c h all e n g e s ari si n g fr o m c h a n gi n g gl o b al o c e a n s u n d er i nt e n sif yi n g h u m a n pr e s s ur e s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 7 3

T o pi c 2: O c e a n a n d Cr y o s p h er e i n Cli m at e • O bj e cti v e 1 0: Str e n gt h e n o ut c o m e- ori e nt e d r e s e ar c h a n d k n o wl e d g e tr a n sf er a cti viti e s wit h a n e m p h a si s o n s e a i c e, o c e a n cir c ul ati o n, s e a l e v el ri s e a n d e xtr e m e e v e nt s, i n r e s p o n s e t o s o ci et al n e e d s i n i nf or mi n g cli m at e miti g ati o n a n d a d a pt ati o n m e a s ur e s. C) Str u ct ur e of t h e T o pi c a n d m oti v ati o n of S u bt o pi c s I ntr o d u cti o n of S u bt o pi c s. T 2 c o n c e ntr at e s o n f o ur di fi er e nt S u bt o pi c s ( Fi g. 2. 2). S u bt o pi c 2. 1 ‘ W ar mi n g Cli m at e s’ will d et er mi n e t h e c a u s e s of a w ar mi n g cli m at e a n d it s c o n s e q u e n c e s f or t h e m e a n st at e of t h e gl o b al a n d r e gi o n al di stri b uti o n of t e m p er at ur e, s e a i c e e xt e nt, o c e a n cir c ul ati o n a n d c ar b o n r e s er v oir s, a n d t h eir r el ati o n s hi p s a n d dri vi n g f a ct or s fr o m t h e p a st t o t h e pr e s e nt a n d i nt o t h e f ut ur e. It h a s a str o n g f o c u s o n l o n g-t er m m o nit ori n g a n d pr o c e s s u n d er st a n di n g a n d will i n cl u d e c o m p ari s o n of pr e s e nt- d a y c o n diti o n s t o p a st w ar mi n g cli m at e s, t h eir dri v er s a n d c o n s e q u e n c e s f or m ari n e a n d t err e stri al c ar b o n s o ur c e s a n d si n k s, a n d t h eir tr a n siti o n s a n d ti p pi n g p oi nt s. O n e ulti m at e g o al i s t h e d e v el o p m e nt of i m pr o v e d cli m at e m o d el s, w hi c h will i n cr e a s e t h e r eli a bilit y of r e gi o n al- s c al e pr oj e cti o n s of f ut ur e cli m at e f or v ari o u s a nt hr o p o - g e ni c w ar mi n g s c e n ari o s. S u bt o pi c 2. 2 ‘ V ari a bilit y a n d e xtr e m e s’ will f o c u s o n n at ur al cli m at e v ari a bilit y a n d e xtr e m e e v e nt s a n d t h eir c h a n g e s u n d er gl o b al w ar mi n g a cr o s s a wi d e r a n g e of ti m e s c al e s. I nt e gr ati o n of ( p al e o) o b s er v ati o n s, d e di - c at e d o b s er v ati o n al c a m p ai g n s a n d m o d el d e v el o p m e nt a cti viti e s will e n a bl e u s t o cl o s e t h e k n o wl e d g e g a p s o n n at ur al cli m at e v ari a bilit y, t h er e b y i n cr e a si n g c o n fi d e n c e i n t h e f ull r a n g e of p o s si bl e f ut ur e cli m at e c h a n g e pr oj e cti o n s a n d pr o b a biliti e s of cli m at e e xtr e m e s t o b ett er i nf or m d e ci si o n- m a k er s. S T 2. 2 will al s o i m pr o v e pr e di cti v e c a p a biliti e s o n d ail y t o d e c a d al ti m e s c al e s a n d will c o n si d er t h e dri vi n g f a ct or s of e xtr e m e cr y o - s p h eri c a n d o c e a ni c e v e nt s, t h eir at m o s p h eri c a n d o c e a ni c tri g g er s, a n d c o n s e q u e n c e s. S u bt o pi c 2. 3 ‘ S e a l e v el c h a n g e’ will c o n c e ntr at e o n pr e s e nt- d a y a n d f ut ur e s e a l e v el ri s e wit h a s p e ci fi c f o c u s o n p ol ar s o ur c e s a n d r e gi o n al c h a n g e s. B y c o m bi ni n g n o v el m o nit ori n g, r e c o n str u cti o n, m o d eli n g a n d pr oj e c - ti o n c a p a biliti e s, i n di vi d u al c a u s e s of s e a l e v el c h a n g e will b e q u a nti ff e d. I n p arti c ul ar, pr o c e s s e s, w hi c h ar e still p o orl y u n d er st o o d a n d n ot w ell r e pr e s e nt e d i n e xi sti n g m o d eli n g s y st e m s, will b e c o n si d er e d, s u c h a s d y n a m - i c s of o c e a n-i c e s h e et s y st e m s, s elf- gr a vit ati o n or i nt er a cti o n s wit h t h e s oli d E art h. T h e a cti viti e s will g ui d e t h e d e v el o p m e nt of a n a d v a n c e d E art h s y st e m m o d el wit h i nt er a cti v e i c e s h e et s c a p a bl e of r e ali sti c all y si m ul ati n g i c e- s h elf- o c e a n- g e o s p h er e i nt er a cti o n s a n d t h u s s e a l e v el c h a n g e s. S T 2. 3 will al s o pr o vi d e a d v a n c e d m o nit or- i n g c a p a biliti e s, s e a l e v el c h a n g e o b s er v ati o n s a n d pr oj e cti o n s wit h r e d u c e d str u ct ur al u n c ert ai nt y. S u bt o pi c 2. 4 ‘ A d v a n c e d r e s e ar c h m et h o d ol o g y f or t o m orr o w’ will d e v el o p, t e st a n d pr o vi d e c utti n g- e d g e t o ol s a n d m et h o d s t o e n a bl e e x c ell e n c e a n d i nt er n ati o n al l e a d er s hi p i n o b s er v ati o n al c a m p ai g n s, r e m ot e s e n si n g, hi g h r e s ol uti o n r e c o n str u cti o n of p a st o c e a n a n d cli m at e st at e s, E art h s y st e m m o d eli n g, a s w ell a s n e w d at a s ci e n c e a p pli c ati o n s. T hi s S u bt o pi c pr o vi d e s t h e i m p ort a nt m et h o d ol o gi c al u n d er pi n ni n g f o u n d ati o n f or r e - s e ar c h i n S Ts 2. 1 t o 2. 3. C o ntri b uti o n s of t h e C e nt er s t o t h e T o pi c. A WI, G E O M A R a n d G F Z will b e i n v ol v e d i n all f o ur S u bt o pi c s. I n t h e f oll o wi n g, k e y c o ntri b uti o n s of e a c h of t h e c e nt er s t o t h e di fi er e nt S u bt o pi c s will b e bri e fi y d e s cri b e d. A WI will c o ntri b ut e t o S T 2. 1 t hr o u g h l o n g-t er m m o nit ori n g a cti viti e s i n t h e Ar cti c a n d A nt ar cti c ( e. g., s e a i c e), t h e i m pr o v e m e nt of pr o c e s s u n d er st a n di n g t hr o u g h fi el d c a m p ai g n s ( e. g., M O S Ai C) a s w ell a s p al e o cli m at e st u di e s ( e. g., I O D P, B e y o n d E PI C A- Ol d e st I c e ( B E- OI)) a n d m o d eli n g. A WI will al s o c o ntri b ut e wit h it s e x p erti s e i n m o d el d e v el o p m e nt ( e. g., e m pl o yi n g u n str u ct ur e d m e s h m et h o d s) a n d i n c arr yi n g o ut c o m m u nit y e x p eri- m e nt s ( C MI P). I n S T 2. 2, A WI will i n v e sti g at e t el e c o n n e cti o n s, e s p e ci all y i n t er m s of p ol ar- mi d-l atit u d e li n k a g e s a n d t h eir r ol e i n e xtr e m e e v e nt s. I n or d er t o p ut t h e s e e xtr e m e e v e nt s i nt o a l o n g-t er m c o nt e xt, A WI will al s o c o ntri b ut e t o t h e t h e m e ‘ p al e o- w e at h er’ a n d t o a d v a n c e d r e c o n str u cti o n s of n at ur al v ari a bilit y fr o m ( p al e o) o b s er v ati o n s, t o i n v e sti g at e t h e r el ati o n of e xtr e m e e v e nt s, v ari a bilit y a n d m e a n st at e a n d t o c h all e n g e t h e a bilit y of cli m at e m o d el s i n si m ul ati n g t h e s e v ari ati o n s. F urt h er m or e, r e s e ar c h i s dir e ct e d t o w ar d s d e v el o pi n g a d v a n c e d pr e di cti v e c a p a biliti e s o n t h e ti m e s c al e s r a n gi n g fr o m d a y s t o s e a s o n s. I n S T 2. 3, A WI will c o ntri b ut e b y c o m bi ni n g o b s er v ati o n al c a p a cit y of i c e s h e et- o c e a n s y st e m s a n d t h eir d y n a mi c s d e pl o y e d i n str at e gi c k e y Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 7 5

T o pi c 2: O c e a n a n d Cr y o s p h er e i n Cli m at e pr o d u cti vit y at l o w l atit u d e u p w elli n g ar e a s, c ar b o n u pt a k e a n d st or a g e i n t h e ( d e e p) o c e a n, a n d o x y g e n l o s s i n gl o b all y w ar mi n g o c e a n w at er s ( wit h T 6), d e p e n d o n s h ort- a n d l o n g-t er m c h a n g e s i n t h e f or m ati o n a n d e x- p ort of w at er m a s s e s fr o m hi g h l atit u d e ar e a s a n d t h eir ti p pi n g p oi nt s, w hi c h will b e a f o c u s of S T 2. 1. R e gi o n al c h all e n g e s will b e t h e d et e cti o n a n d q u a nti fi c ati o n of c urr e nt a n d f ut ur e tr e n d s of t h e Atl a nti c M eri di o n al O v er - t ur ni n g Cir c ul ati o n ( A M O C) a n d it s c o m pl e x c o n n e cti o n s t o t h e p ol ar r e gi o n s a n d t h e I n di a n O c e a n, a s w ell a s t h e G ulf Str e a m s y st e m a n d it s i m p a ct o n E ur o p e a n cli m at e. T o b ett er d e fi n e n at ur al c h a n g e s of t h e m e a n st at e of t h e o c e a n a n d cr y o s p h er e, w e will r e c o n str u ct r e gi o n al a n d gl o b al c o n diti o n s pr e v aili n g d uri n g p a st w ar mi n g cli m at e s wit h t e m p er at ur e r a n g e s c o m p ar a bl e t o t h o s e pr e di ct e d f or t h e n e ar f ut ur e s u c h a s t h e l a st i nt er gl a ci al ( E e mi a n), t h e mi d- Pli o c e n e a n d t h e mi d- Mi o c e n e p eri o d s, t a ki n g i nt o a c c o u nt g e o p h y si c al a n d t e ct o ni c b o u n d ar y c o n diti o n s, a n d a p pl y t h e s e t o i n v e sti g at e t hr e s h ol d s a n d di s e nt a n gl e n at ur al a n d a nt hr o p o g e ni c cli m at e c h a n g e s. T h e p al e o r e c or d s, al o n g wit h m o d el- i n g st u di e s all o w t h e e v al u ati o n of t h e s y st e m o n it s w a y i nt o a n d wit hi n w ar m er st at e s, w hi c h i s n ot a c c e s si bl e t hr o u g h t h e i n str u m e nt al r e c or d of t h e p a st 1 5 0 y e ar s. M ai n o bj e cti v e s. A k e y o bj e cti v e of t hi s S u bt o pi c i s t o a c hi e v e a n i m pr o v e d u n d er st a n di n g of t h e c a u s e s a n d c o n s e q u e n c e s of t h e 2 0 t h- a n d e arl y 2 1st- c e nt ur y gl o b al a n d r e gi o n al a nt hr o p o g e ni c all y-i n d u c e d w ar mi n g a n d it s i nt er pl a y wit h t h e n at ur al v ari a bilit y of t h e cli m at e s y st e m fr o m a n o c e a n a n d cr y o s p h er e p er s p e cti v e, a n d t o t ur n t hi s k n o wl e d g e i nt o i m pr o v e d cli m at e c h a n g e pr oj e cti o n s, i n p arti c ul ar i n t h e p ol ar r e gi o n s. T h e d e di c at e d i n v e sti g ati o n of p a st w ar mi n g cli m at e s will pr o vi d e u ni q u e w a y s of e v al u ati n g t h e s e n siti vit y of t h e E art h s y st e m u n d er v ari a bl e b o u n d ar y c o n diti o n s a n d t o d e fi n e it s ti p pi n g p oi nt s a n d d e vi ati o n s fr o m t h e m e a n st at e b e y o n d t h e pr e s e ntl y pr e v aili n g r a n g e of cli m at e s d o c u m e nt e d b y t h e i n str u m e nt al r e c or d. W e will r el e a s e c o m pr e h e n si v e d at a s et s of k e y cli m at e v ari a bl e s i n cl u di n g c h all e n gi n g a ut o n o m o u s a n d r e m ot e s e n si n g- b a s e d wi nt er o b s er v ati o n s fr o m r e m ot e p ol ar r e gi o n s ( M O S Ai C) a n d will e n s ur e t h e tr a n sf er of t h e n e w k n o wl e d g e t o p oli c y m a k er s a n d s o ci et y at l ar g e. W or k pr o gr a m. P a st, o n g oi n g a n d f ut ur e Ar cti c a n d A nt ar cti c cli m at e c h a n g e. W e will i n v e sti g at e criti c al pr o c e s s e s a n d f e e d b a c k s c o ntr olli n g c h a n g e s i n t h e Ar cti c a n d A nt ar cti c, w hi c h h a v e s h o w n f u n d a m e nt all y di ff er e nt b e h a vi or d uri n g t h e l a st f o ur d e c a d e s. E m p h a si s will b e pl a c e d o n k e y m e c h a ni s m s of r a pi d Ar cti c s e a i c e d e cli n e a n d Ar cti c A m pli fi c ati o n. T h e s e i n cl u d e pr o c e s s e s a fi e cti n g o c e a n- s e a i c e, at m o s p h er e- s e a i c e a n d o c e a n- at m o s p h er e h e at fi u x e s i n cl u di n g cl o u d s, v erti c al r a di ati o n, m o m e nt u m tr a n sf er, a n d o c e a n mi x e d l a y er- h al o cli n e c o u pli n g, t w o- w a y li n k a g e s b et w e e n t h e Ar cti c a n d t h e mi d-l atit u d e s i n v ol vi n g at m o s p h eri c a n d o c e a ni c pr o c e s s e s, a n d pr o c e s s e s of i c e m elt a n d i c e e d g e d y n a mi c s i n t h e m ar gi n al i c e z o n e. I n A nt ar cti c a, o ur r e s e ar c h will c o ntri b ut e t o e x pl ai ni n g t h e l a c k of o b s er v e d s e a i c e d e cli n e o v er t h e w h ol e s at ellit e er a v s r e c e ntl y o b s er v e d s e a i c e mi ni m a. E m p h a si s will b e o n t h e r ol e of o c e a n e d di e s, i c e s h elf a n d Fi g. 2. 3: G E O M A R a n d A WI c o ntri b uti o n s t o t h e p a n- Atl a nti c o b s er vi n g s y st e m. S h o w n ar e s urf a c e c urr e nt s fr o m a gl o b al hi g h-r e s ol uti o n o c e a n- o nl y si m ul ati o n ( N E M O- O R C A 1 2) t o g et h er wit h l o c ati o n s of l o n g-t er m o c e a n o b s er v at ori e s i n t h e Atl a nti c. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 7 7

T o pi c 2: O c e a n a n d Cr y o s p h er e i n Cli m at e L e s s o n s fr o m t h e p a st. T h e r a pi dit y of t h e a nt hr o p o g e ni c all y f or c e d gl o b al cli m ati c c h a n g e s h a s n o tr u e a n a - l o g e v e n i n E art h’ s di st a nt hi st or y. N o n et h el e s s, d e di c at e d p al e o-r e c o n str u cti o n s a n d m o d eli n g i n v e sti g ati o n s of t h e o c e a n a n d t h e cr y o s p h er e o n t h eir w a y i nt o a n d d uri n g p a st w ar m er-t h a n- pr e s e nt c o n diti o n s will e n a bl e a b ett er u n d er st a n di n g of t h e n at ur al f or ci n g s a n d pr o c e s s e s dri vi n g t h e m e a n st at e of t h e s y st e m at t e m - p er at ur e s si mil ar t o t h o s e e x p e ct e d f or t h e n e ar f ut ur e. T hi s i n cl u d e s t h e w ar m er-t h a n- pr e s e nt l a st i nt er gl a ci al ( E e mi a n, 1 2 5, 0 0 0 y e ar s a g o), mi d- Pli o c e n e ( 3- 3. 5 Milli o n y e ar s a g o) a n d mi d- Mi o c e n e ( 1 4- 1 6 Milli o n y e ar s a g o) p eri o d s, d uri n g w hi c h t e m p er at ur e s si mil ar t o t h e e x p e ct e d 1. 5 ° C, 2 ° C a n d 4 ° C f ut ur e w ar mi n g s c e n ari o s pr e v ail e d, 5 5 at l e a st o n a l o c al a n d r e gi o n al s c al e. E xi sti n g a n d n e w m at eri al o bt ai n e d d uri n g u p c o mi n g I O D P /I C D P e x p e diti o n s a n d wit h t h e e ntir e G er m a n r e s e ar c h fi e et will b e u s e d t o r e c o n str u ct c h a n g e s i n l ar g e- s c al e o v ert ur ni n g cir c ul ati o n a n d v e ntil ati o n i n k e y r e gi o n s dir e ctl y i m p a cti n g fi u x e s a n d st or a g e of c ar b o n, h e at, tr a c e el e m e nt s, n utri e nt s a n d t h eir utiliz ati o n i n t h e N ort h Atl a nti c, N ort h P a ci fi c a n d t h e S o ut h er n O c e a n. T hi s will i n cl u d e r e s e ar c h o n di ff er e n c e s i n g e o d y - n a mi c a n d t e ct o ni c b o u n d ar y c o n diti o n s, s u c h a s b at h y m etr y, t o p o gr a p h y a n d o c e a ni c s e a w a y s. C O 2 -f or c e d cli m at e s e n siti vit y e sti m at e s h a v e m o stl y b e e n d eri v e d fr o m d at a a n d cli m at e m o d el s t h at r e pr e s e nt f a st f e e d b a c k s wit hi n a c e nt ur y, w hi c h ar e, h o w e v er, di fi c ult t o r e c o n cil e wit h t h e m a g nit u d e of cli m at e c h a n g e s i n t h e p a st. T h er ef or e, w e will s y nt h e siz e p al e o cli m at e d at a a n d m o d el s t o e x a mi n e t h e c o m pl e x r e s p o n s e of t h e E art h s y st e m t o n at ur al e xt er n al f or ci n g s i n cl u di n g c h a n g e s i n c ar b o n si n k s a n d s o ur c e s (li n k t o T 1, T 5 a n d T 6). C o n s e q u e n c e s of c h a n g e s i n o v ert ur ni n g cir c ul ati o n f or l a n d- o c e a n li n k a g e s i n cl u di n g p er m afr o st ar e a s (li n k t o T 4 a n d T 5) a n d t h e m aj or e a st er n b o u n d ar y u p w elli n g ar e a s will b e st u di e d a n d i nt e gr at e d wit h w ell- d at e d t er - r e stri al r e c or d s of e n vir o n m e nt al c h a n g e s (i. e., I C D P). F o ci will b e t h e e x a mi n ati o n of ti p pi n g p oi nt s a n d t hr e s h - ol d s, s u c h a s s hift s i n t h e d y n a mi c s of t h e A C C a n d t h e A M O C a n d t h eir li n k a g e s t o t h e m o n s o o n al s y st e m 5 6 a n d t h e C e n oz oi c hi st or y of p ol ar cli m at e s. T h e s e m ari n e r e c or d s will b e c o m pl e m e nt e d b y a n e w E ur o p e a n i c e c or e fr o m A nt ar cti c a ( B E- OI) t o b e o bt ai n e d b y a n i nt er n ati o n al c o n s orti u m i n w hi c h A WI pl a y s a k e y r ol e. T hi s will all o w t e st s of t h e a bilit y of m o d el s t o r e pr o d u c e l ar g e- s c al e o c e a n- at m o s p h er e- cr y o s p h er e- cli m at e c h a n g e s a n d l e a d t o i m pr o v e d pr oj e cti o n s of f ut ur e gl o b al a n d r e gi o n al c h a n g e s, w hi c h al s o b e n e fit s fi s h eri e s a n d bi o di v er sit y st u di e s ( T 6). • • D 2. 5 ( 2 0 2 4): C o n c e pt f or t h e i m pl e m e nt ati o n of a C T A o n ‘ E art h S y st e m t hr e s h ol d s a fi e cti n g gl o b all y r el e v a nt C O2 si n k s a n d s o ur c e s’. M 2. 5- 1 ( 2 0 2 2): S c o pi n g w or k s h o p f or t h e C T A i n v ol vi n g e x p ert s fr o m T 1, T 2, T 4, T 5 a n d T 6 a s w ell a s e xt er n al p art n er s. D 2. 6 ( 2 0 2 7): C o m pr e h e n si v e r e c o n str u cti o n, s y n c hr o niz ati o n, a n d m o d eli n g of m aj or o c e a n a n d cr y o - s p h er e c h a n g e s a n d t h eir f or ci n g i n k e y r e gi o n s d uri n g p a st w ar mi n g cli m at e s a n d d uri n g tr a n siti o n s i nt o t h e s e. M 2. 6- 1 ( 2 0 2 3): Gl o b al i nt e gr ati o n of s e a i c e c o v er, s e a s urf a c e t e m p er at ur e, o c e a n cir c ul ati o n a n d t err e stri al cli m at e d at a f or t h e l a st i nt er gl a ci al, a p pr o xi m ati n g 1. 5 ° C w ar m er t h a n pr e-i n d u stri al c o n diti o n s ( E e mi a n). M 2. 6- 2 ( 2 0 2 3): E AI S E e x p e diti o n s t o t h e I n di a n s e ct or of t h e S o ut h er n O c e a n t o r e c o n str u ct t h e i n st a bilit y of t h e E a st A nt ar cti c I c e S h e et ( E AI S) (li n k t o S T 2. 3). M 2. 6- 3 ( 2 0 2 5): R e c o v er y of t h e w orl d’ s ol d e st c o nti n u o u s i c e c or e i n A nt ar cti c a ( B E- OI). M 2. 6- 4 ( 2 0 2 7): E v al u ati o n of t h e pr o x y- b a s e d r e c o n- str u cti o n s b e y o n d t h e pr e s e ntl y pr e v aili n g r a n g e of cli m at e s b y i s ot o p e- e n a bl e d E art h s y st e m m o d eli n g o n m ulti- mill e n ni al ti m e s c al e s. I nfr a str u ct ur e s a n d s p e ci fl c r e s o ur c e s. I n or d er t o c arr y o ut t h e pl a n n e d r e s e ar c h a wi d e r a n g e of st a n d ar d a n d s p e ci ff c i nfr a str u ct ur e a n d i n str u m e nt ati o n i s r e q uir e d. Cl e a n l a b or at ori e s a n d a r a n g e of m o d er n m a s s s p e ctr o m et er s ar e a v ail a bl e. W e will u s e t h e e ntir e G er m a n r e s e ar c h fi e et, i n cl u di n g o ur L KII v e s s el s, t h e r e - s e ar c h air cr aft, t h e N e u m a y er III a n d K o h n e n St ati o n s, t h e A WI P E V r e s e ar c h b a s e o n S v al b ar d, t h e O c e a n S ci - e n c e C e nt er Mi n d el o ( O S C M) o n C a p e V er d e, a n d e m pl o y o c e a n o gr a p hi c, at m o s p h eri c, g e ol o gi c al, g e o p h y s - i c al a n d bi o g e o c h e mi c al i n str u m e nt ati o n. W e o p er at e o c e a n o b s er v at ori e s s u c h a s F R A M a n d t h e 5 3 ° N a n d 1 1 ° S arr a y s a n d st at e- of-t h e- art d e e p- s e a i n str u m e nt ati o n i n m o d ul ar c o n ff g ur ati o n s a s i n M O S E S, i n cl u di n g 5 5 B ur k e K D, et al. 2 0 1 8. Pli o c e n e a n d E o c e n e pr o vi d e b e st a n al o g s f or n e ar f ut ur e cli m at e s. P N A S. 1 1 5: 1 3 2 8 8 – 1 3 2 9 3. 5 6 * G e br e gi or gi s D, et al. 2 0 1 8. S o ut h er n H e mi s p h er e f or ci n g of S o ut h A si a n m o n s o o n pr e ci pit ati o n o v er t h e p a st ~ 1 milli o n y e ar s. N at ur e C o m m. 9: 4 7 0 2. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 7 9

T o pi c 2: O c e a n a n d Cr y o s p h er e i n Cli m at e Fi g. 2. 4: Ill u str ati o n of v ari a bilit y, e xtr e m e s a n d m e a n st at e c h a n g e s. F or s o ci et y a n d a d a pt ati o n m e a s ur e s, t h e li k eli h o o d of s p e ci fi c e v e nt s, s u c h a s t h e cr o s si n g of a t e m p er at ur e t hr e s h ol d, h a s t o b e k n o w n. T hi s c a n b e r e pr e s e nt e d b y a pr o b - a bilit y d e n sit y f u n cti o n. Cli m at e c h a n g e c a n s hift t h e e ntir e di stri b uti o n a n d it s e xtr e m e s ( F o c u s of S T 2. 1) b ut c a n al s o br o a d e n, n arr o w or di st ort t h e di stri b uti o n, t h u s alt eri n g t h e v ari a bilit y a n d e xtr e m e s ( F o c u s of S T 2. 2). S h o w n i s a cli m at e ti m e- s eri e s, it s r a n g e of v ari a bilit y ( 2 σ) a n d t w o h y p ot h eti c al s c e n ari o s of i n cr e a si n g (r e d) or d e cr e a si n g ( bl u e) v ari a bilit y a c c o m p a n yi n g t h e i n cr e a s e of t h e m e a n. W or k pr o gr a m. Q u a ntif yi n g a n d si m ul ati n g n at ur al cli m at e v ari a bilit y. Cli m at e v ari a bilit y o n d e c a d al t o c e nt e n ni al ti m e s c al e s i s c urr e ntl y n ot w ell c o n str ai n e d a n d e xi sti n g cli m at e m o d el s a p p e ar t o b e t o o st a bl e i n m a g nit u d e 5 7 a s w ell a s i n t h e r e s p o n s e of cli m at e v ari a bilit y t o m e a n cli m at e c h a n g e s. 5 8 T h e d e v el o p m e nt of a d v a n c e d pr o x y s y st e m m o d el s, n o v el st ati sti c al c orr e cti o n m et h o d s a n d o pti miz e d s a m pli n g a n d m e a s ur e m e nt t e c h ni q u e s a p pli e d o n n e wl y t a k e n s e di m e nt a n d i c e c or e arr a y s will c o n si d er a bl y r e d u c e t h e e xi sti n g u n c ert ai nt y of v ari a bilit y e sti m at e s a n d r e s ult i n a r e c o n str u cti o n of n at ur al cli m at e v ari a bilit y a cr o s s s p ati al a n d t e m p or al s c al e s at u n pr e c e d e nt e d q u alit y. A n ot h er li miti n g f a ct or i s t h e l a c k of k n o wl e d g e of h o w n at ur al f or ci n g s ( e. g., s ol ar v ari ati o n s) i m p a ct cli m at e v ari a bilit y, i n p arti c ul ar o n r e gi o n al s c al e s. F urt h er m or e, m aj or u n c ert ai nti e s r e m ai n i n t h e r e pr e s e nt ati o n of n at ur al cli m at e v ari a bilit y a n d t h eir g o v er ni n g pr o c e s s e s i n n u m eri c al m o d el s. U si n g t h e n e w v ari a bilit y r ef er e n c e d at a s et, t o b e d e v el o p e d i n S T 2. 2, al o n g wit h t h e i m pr o v e d d y n a mi c al u n - d er st a n di n g of n at ur al cli m at e v ari a bilit y, t h e p erf or m a n c e of cli m at e m o d el s i n si m ul ati n g t h e f ull s p e ctr u m of v ari a bilit y will b e a s s e s s e d. Gi v e n t h e p o s si bl e li n k b et w e e n cli m at e v ari a bilit y a n d s e n siti vit y, t hi s al s o h a s t h e p ot e nti al t o b ett er c o n str ai n tr a n si e nt cli m at e s e n siti vit y a n d f e e d b a c k l o o p s, t h er e b y c o ntri b uti n g t o S T 2. 1. It i s e x p e ct e d t h at m o d el i m pr o v e m e nt s ( e. g., e n h a n c e d r e s ol uti o n a n d b ett er r e pr e s e nt ati o n of i nt er a cti o n s b e- t w e e n E art h s y st e m c o m p o n e nt s) will r e d u c e t h e u n c ert ai nti e s i n a m plit u d e a n d str u ct ur e of si m ul at e d i nt er n al v ari a bilit y a s w ell a s t h e r e s p o n s e t o n at ur al f or ci n g s. T hi s will all o w t o b ett er a nti ci p at e t h e f ull r a n g e of p o s - si bl e f ut ur e cli m at e c h a n g e a n d t h e st a bilit y of t h e f ut ur e cli m at e s y st e m b ot h e s s e nti al t o pl a n miti g ati o n a n d a d a pt ati o n m e a s ur e s. T h e ulti m at e g o al i s t h u s t o e n a bl e b ett er pr oj e cti o n s of t h e f ut ur e gl o b al a n d r e gi o n al cli m at e e v ol uti o n f or 1. 5 ° C, 2 ° C a n d 4 ° C f ut ur e w ar mi n g s c e n ari o s (i n cl u di n g it s f ull pr o b a bilit y di stri b uti o n, Fi g. 2. 4), w hi c h will r e s ult i n m aj or c o ntri b uti o n s t o f ort h c o mi n g I P C C r e p ort s. • D 2. 7 ( 2 0 2 6): U n pr e c e d e nt e d o b s er v ati o n al r ef er e n c e d at a s et of s p ati o-t e m p or al d e c a d al t o c e nt e n ni - al t e m p er at ur e v ari a bilit y. M 2. 7- 1 ( 2 0 2 3): O pti miz e d w or k fi o w e st a bli s h e d a n d t e st e d f or hi g h- a c c ur a- c y t e m p er at ur e v ari a bilit y r e c o n str u cti o n s fr o m p al e o-r e c or d s. M 2. 7- 2 ( 2 0 2 4): C o m pl eti o n of arr a y s of fir n /i c e c or e s i n A nt ar cti c a a n d Gr e e nl a n d, a n d r e c o v er y of hi g h-r e s ol uti o n s e di m e nt pr o x y d at a. M 2. 7- 3 ( 2 0 2 6): C o m pl eti o n of st ati sti c al v ari a bilit y r e c o n str u cti o n a n d m er gi n g wit h i n str u m e nt al o b s er v ati o n s. 5 7 * L a e p pl e T, H u y b er s P. 2 0 1 4. O c e a n s urf a c e t e m p er at ur e v ari a bilit y: L ar g e m o d el- d at a di ff er e n c e s at d e c a d al a n d l o n g er p eri o d s. P N A S. 1 1 4: 1 6 6 8 2- 1 6 6 8 7. 5 8 *R e hf el d K, et al. 2 0 1 8. Gl o b al p att er n s of d e cli ni n g t e m p er at ur e v ari a bilit y fr o m t h e L a st Gl a ci al M a xi m u m t o t h e H ol o c e n e. N at ur e. 5 5 4: 3 5 6- 3 5 9. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 8 1

T o pi c 2: O c e a n a n d Cr y o s p h er e i n Cli m at e Ni ñ o, B e n g u el a Ni ñ o, or t h e Atl a nti c M eri di o n al M o d e. O n mill e n ni al ti m e s c al e s, r a pi d s hift s i n t h e n utri e nt s u p pl y t o t h e tr o pi c al Atl a nti c w er e a s s o ci at e d wit h c h a n g e s i n S o ut h er n O c e a n u p w elli n g a n d o c e a n cir c ul a - ti o n at i nt er m e di at e d e pt h s,6 1 w hi c h will b e i n v e sti g at e d i n all t hr e e m aj or o c e a n b a si n s f or e xt e n d e d p eri o d s i n t h e p a st. A c o or di n at e d c a m p ai g n will b e d e si g n e d t o d e ci p h er t h e p h y si c al dri v er s of e c o s y st e m v ari a bilit y i n t h e N W Afri c a n u p w elli n g s y st e m b a s e d o n st at e- of-t h e- art s hi p b o ar d a n d a ut o n o m o u s o b s er v ati o n s, a n d i m pr o v e d n e st e d o c e a n a n d cli m at e m o d el s. • D 2. 1 1 ( 2 0 2 6): I m pr o v e d u n d er st a n di n g a n d r e pr e s e nt ati o n of o c e a n- s y st e m d y n a mi c s a n d pr o c e s s e s i n tr o pi c al u p w elli n g r e gi o n s i n o c e a n a n d cli m at e m o d el s a n d f or t h e b e n e fit of o p er ati o n al u p w elli n g f or e- c a st s ( e. g., C M E M S). M 2. 1 1- 1 ( 2 0 2 3): C a m p ai g n d e si g n f or d e di c at e d u p w elli n g st u d y wit h f o c u s o n t h e W e st Afri c a n u p w elli n g s y st e m, i n cl u di n g i m p a ct s o n m ari n e e c o s y st e m a n d fi s h eri e s, i n c o o p er ati o n wit h l o c al Afri c a n a n d i nt er n ati o n al p art n er s (li n k t o T 6). M 2. 1 1- 2 ( 2 0 2 5): Attri b uti o n of tr o pi c al u p w elli n g v ari- a bilit y a n d e xtr e m e s t o l o c al a n d r e m ot e pr o c e s s e s a s s o ci at e d wit h di fi er e nt cli m at e m o d e s. Li n k a g e s b et w e e n tr o pi c s, p ol ar r e gi o n s a n d mi d-l atit u d e s. A k e y c h all e n g e t o i m pr o v e o ur u n d er st a n di n g a n d pr o g n o sti c c a p a biliti e s of e xtr e m e e v e nt s i n t h e at m o s p h er e, o c e a n a n d s e a i c e, i s t h e attri b uti o n t o di s - ti n ct l o c al a n d r e m ot e dri v er s. O n e i m p ort a nt ar e a of r e s e ar c h i n v ol v e s ‘ m o d e s’ of i nt er n al cli m at e v ari a bilit y, w hi c h e ff e cti v el y li n k l o w a n d hi g h l atit u d e s. A pr o mi n e nt e x a m pl e i s t h e El Ni fi o / S o ut h er n O s cill ati o n ( E N S O) p h e n o m e n o n. U si n g o b s er v ati o n s a n d i m pr o v e d n u m eri c al m o d el s, w e will i n v e sti g at e h o w t h e s e t el e c o n n e c - ti o n s b e h a v e u n d er cli m at e c h a n g e6 2 ( e. g., s u p er El Ni fi o s) a n d t h u s a fi e ct e xtr e m e e v e nt s i n t h e mi d-l atit u d e s. A n ot h er pr o mi n e nt e x a m pl e i s t h e p o s si bl e i m p a ct of r a pi d Ar cti c s e a i c e d e cli n e o n e xtr e m e w e at h er p att er n s i n mi d-l atit u d e s. W e will a d dr e s s t h e q u e sti o n of w h y st at e- of-t h e- art m o d el s s h o w a r at h er w e a k a n d v ari a bl e r e s p o n s e t o Ar cti c s e a i c e d e cli n e, a n d w h et h er a d v a n c e d m o d el s pr o vi d e di fi er e nt r e s p o n s e s. M o d el e x p eri - m e nt s will b e c arri e d o ut e x pl oiti n g pr ot o c ol s s u c h a s t h e P ol ar A m pli fl c ati o n M o d el I nt er c o m p ari s o n Pr oj e ct ( P A MI P). • D 2. 1 2 ( 2 0 2 5): Q u a nti ff c ati o n of t h e li n k a g e s b et w e e n t h e Ar cti c a n d l o w er l atit u d e s, t a ki n g i nt o a c c o u nt at m o s p h eri c a n d o c e a ni c pr o c e s s e s. M 2. 1 2- 1 ( 2 0 2 3): E x p eri m e nt s wit h a d v a n c e d m o d el s (r e vi s e d p ar a m- etriz ati o n s, i n cr e a s e d r e s ol uti o n a n d i nt er a cti v e o c e a n) f oll o wi n g t h e P A MI P pr ot o c ol. Pr e di ct a bilit y o n d ail y-t o- d e c a d al ti m e s c al e s. S T 2. 2 will i m pr o v e t h e u n d er st a n di n g of t h e i n h er e nt li mit s of pr e di ct a bilit y of t h e cli m at e s y st e m, fr o m d ail y-t o- d e c a d al ti m e s c al e s. O n s h ort er d ail y-t o- s u b s e a s o n al ti m e s c al e s, t h e f o c u s will b e o n e st a bli s hi n g t h e li mit s of pr e di ct a bilit y of Ar cti c s e a i c e, i n cl u di n g s m all- s c al e f e a - t ur e s s u c h a s s e a i c e l e a d s, w hi c h ar e r el e v a nt f or s hi p pi n g. O n s u b s e a s o n al-t o- s e a s o n al ti m e s c al e s, a s p e ct s s u c h a s str at o s p h er e-tr o p o s p h er e i nt er a cti o n pl a y a r ol e, a n d f or s e a s o n al-t o- d e c a d al ti m e s c al e s t h e r ol e of t h e o c e a n a n d t h e d e c a d al- s c al e s ol ar c y cl e m o v e i nt o t h e f o c u s. W or k o n f u n d a m e nt al pr e di ct a bilit y li mit s will b e a u g m e nt e d b y r e s e ar c h t h at a d v a n c e s a ct u al pr e di cti o n s y s - t e m s i n c oll a b or ati o n wit h str at e gi c p art n er s. F or e x a m pl e, w e will e x pl or e i m pr o v e m e nt s of v ari o u s p ol ar a n d gl o b al o b s er vi n g s y st e m s t o a d v a n c e f or e c a st s kill (i n cl u di n g e xtr e m e e v e nt s). F urt h er m or e, r e c o m m e n d ati o n s will b e m a d e r e g ar di n g t h e m o d eli n g of criti c al a s p e ct s of t h e o c e a n a n d cr y o s p h er e. F or e c a sti n g will al s o b e n - e fit fr o m r e s e ar c h o n c o u pl e d d at a a s si mil ati o n (li n k t o S T 2. 4). K n o wl e d g e will b e tr a n sf err e d i nt o o p er ati o n al pr e di cti o n s y st e m s, t hr o u g h c oll a b or ati o n s at t h e E ur o p e a n a n d i nt er n ati o n al l e v el, a n d pr oj e ct s t h at bri n g t o - g et h er a c a d e mi c r e s e ar c h i n stit ut e s a n d o p er ati o n al f or e c a st c e nt er s, s u c h a s W M O’ s Y e ar of P ol ar Pr e di cti o n ( Y O P P)6 3 or t h e W C R P N e ar- T er m Cli m at e Pr e di cti o n Gr a n d C h all e n g e, or a cti viti e s r el at e d t o t h e pr e di cti o n of f ut ur e u p w elli n g c o n diti o n s i n t h e tr o pi c al Atl a nti c. • D 2. 1 3 ( 2 0 2 5): Q u a nti ff c ati o n of t h e s kill of o p er ati o n al pr e di cti o n s y st e m s ( e. g., E C M W F) i n str at e gi c all y r el e v a nt r e gi o n s. M 2. 1 3- 1 ( 2 0 2 2): I niti al a s s e s s m e nt of t h e r el ati v e i m p ort a n c e of v ari o u s c o m p o n e nt s of t h e o b s er vi n g s y st e m f or s killf ul ( p ol ar) pr e di cti o n s. M 2. 1 3- 2 ( 2 0 2 3): A s s e s s m e nt of e xi sti n g o p er ati o n al s y st e m s f or t h e pr e di cti o n of s e a i c e c h ar a ct eri sti c s o n ti m e s c al e s fr o m d a y s t o s e a s o n s. 6 1 * P o g g e m a n n D- W, et al. 2 0 1 7. R a pi d d e gl a ci al i nj e cti o n of n utri e nt s i nt o t h e Atl a nti c vi a A nt ar cti c I nt er m e di at e W at er. E art h a n d Pl a n et ar y S ci e n c e L ett er s. 4 6 3: 1 1 8 – 1 2 6. 6 2 * L atif M, et al. 2 0 1 5. S u p er El Ni ñ o s i n R e s p o n s e t o Gl o b al W ar mi n g i n a Cli m at e M o d el. Cli m C h a n g e. 4: 4 8 9 – 5 0 0. 6 3 * J u n g T, et al. 2 0 1 6. A d v a n ci n g p ol ar pr e di cti o n c a p a biliti e s o n d ail y t o s e a s o n al ti m e s c al e s. B ull. A m er. M et e or. S o c. 9 7: 1 6 3 1 – 1 6 4 7. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 8 3

T o pi c 2: O c e a n a n d Cr y o s p h er e i n Cli m at e pr o c e s s m o d eli n g wit h r e c o n str u cti o n s b a s e d o n pr o x y- b a s e d r e c or d s of p a st s e a l e v el c h a n g e s a s s o ci at e d wit h i c e s h e et c oll a p s e s will all o w u s t o g ai n criti c al u n d er st a n di n g of pr o c e s s e s t h at ar e c urr e ntl y n ot w ell r e p - r e s e nt e d i n E art h s y st e m m o d el s. F urt h er m or e, w e i nt e n d t o q u a ntif y gl o b al a n d r e gi o n al s e a l e v el c h a n g e s. B y c o m bi ni n g c o m pl e m e nt ar y m o nit ori n g s y st e m s a s w ell a s f or w ar d a n d d at a- c o n str ai n e d m o d eli n g a p pr o a c h e s, w e will s e p ar at e a n d q u a ntif y i n di vi d u al pr o c e s s e s, i n p arti c ul ar, c h a n g e s i n o c e a n m a s s a n d h e at c o nt e nt, c o nti n e nt al di s c h ar g e a n d i c e m a s s b al a n c e s, a n d d ef or m ati o n-i n d u c e d c h a n g e s i n b a si n g e o m etr y. T h e s e a c - ti viti e s will g ui d e t h e d e v el o p m e nt of a n a d v a n c e d E art h s y st e m m o d el t h at i s c a p a bl e of si m ul ati n g s e a l e v el c h a n g e s wit h u n pr e c e d e nt e d tr u st w ort hi n e s s. W e al s o ai m t o pr o vi d e r e gi o n al pr oj e cti o n s of s e a l e v el c h a n g e wit h w ell- d e fi n e d u n c ert ai nti e s ari si n g fr o m b ot h, cli m at e s c e n ari o s a n d s o ur c e s of s e a l e v el c h a n g e. T hr o u g h c oll a b or ati o n wit h c o a st al m o d el er s i n T 4, i nf or m ati o n a b o ut c o a st al s e a l e v el c h a n g e will b e pr o vi d e d. W or k pr o gr a m. A nt ar cti c a n d Gr e e nl a n d i c e s h e et m a s s l o s s. I n or d er t o a s s e s s t h e i m p a ct of t h e f ut ur e e v ol uti o n of t h e A nt ar cti c a n d Gr e e nl a n d I c e S h e et m a s s l o s s o n s e a l e v el, w e will e st a bli s h m o nit ori n g a n d r e c o n str u cti o n c a p a citi e s t o tr a c k n o n-li n e ar p at h w a y s t o w ar d s f a st i c e di s c h ar g e (ti p pi n g p oi nt s) r el at e d t o m ari n e i c e s h e et i n st a biliti e s. W e will i n v e sti g at e t hr e e k e y o c e a n-i c e s h e et s y st e m s t h at c urr e ntl y r e si d e i n di fi er e nt st at e s. Fir stl y, t h e A m u n d s e n S e a E m b a y m e nt of t h e W e st A nt ar cti c I c e S h e et ( W AI S)- o c e a n s y st e m h a s m o st li k el y al - r e a d y e nt er e d a m o d e of f a st di s c h ar g e. T hr o u g h o ur i n v ol v e m e nt i n b ot h I O D P a n d t h e I nt er n ati o n al T h w ait e s Gl a ci er C oll a b or ati o n (I T G C) w e will e st a bli s h r e c o n str u cti o n c a p a bilit y of p a st i c e s h e et c h a n g e s, w hil e r e m ot e s e n si n g will tr a c k it s c urr e nt st at e wit h cr u ci al c o ntri b uti o n s e x p e ct e d fr o m G R A C E- F O. S e c o n dl y, t h e N ort h- E a st Gr e e nl a n d I c e Str e a m ( N E GI S) s y st e m s h o w s si g n s of si g ni fi c a nt o c e a n- dri v e n t hi n ni n g of it s m aj or o utl et, t h e 7 9 ° N ort h Gl a ci er ( 7 9 N G). O c e a n a n d i c e- b a s e d st u di e s a s w ell a s air- a n d s p a c e- b or n e r e m ot e s e n si n g will e st a bli s h t h e tr aj e ct or y of t h e N E GI S s y st e m. T hir dl y, t h e Fil c h n er- R o n n e i c e s h elf ( F RI S) i n t h e W e d d ell S e a i s n ot y et s h o wi n g m aj or si g n s of c h a n g e, b ut t h e fr o nt al c o nti n e nt al s h elf i s pr o n e t o i ntr u si o n s of w ar m o p e n- o c e a n w at er. W e will a d dr e s s p a st ti p pi n g p oi nt s a n d p ot e nti al f or i c e m a s s l o s s of ot h er r el e v a nt s e ct or s of t h e E AI S ( E n d er b y a n d Wil k e s L a n d s e ct or s). Fi g. 2. 5: O v er all str u ct ur e a n d ai m s of S T 2. 3 wit h a n ill u str ati o n of t h e v al u e c h ai n a p pr o a c h e m pl o y e d i n T o pi c 2. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 8 5

T o pi c 2: O c e a n a n d Cr y o s p h er e i n Cli m at e s h e et s y st e m s ( F RI S, 7 9 N G, T h w ait e s). M 2. 1 6- 2 ( 2 0 2 3): Pr o vi si o n of u n c ert ai nt y e sti m at e s fr o m m o d el r u n s si m ult a n e o u sl y c o n str ai n e d b y c o m pl e m e nt ar y o b s er v ati o n s. • D 2. 1 7 ( 2 0 2 5): E st a bli s h attri b uti o n s y st e m s of r e c e nt r e gi o n al a n d gl o b al s e a l e v el c h a n g e. M 2. 1 7- 1 ( 2 0 2 3): I n c or p or ati o n of criti c al p h y si c al pr o c e s s e s i n t h e E art h s y st e m m o d el ( e. g., i nt er a cti v e i c e s h e et s, i nt er a cti o n s wit h t h e g e o s p h er e, l o a di n g, s elf- gr a vit ati o n). M 2. 1 7- 2 ( 2 0 2 4): R e c o n str u cti o n, m o nit ori n g a n d m o d eli n g c a p a cit y of tr aj e ct ori e s of k e y o c e a n-i c e s h e et s y st e m s t o w ar d ti p pi n g p oi nt s of m ari n e i c e s h e et i n st a bilit y. M 2. 1 7- 3 ( 2 0 2 5): G e n er at e ti m e- d e p e n d e nt fi n g er pri nt s t o r e c e nt i c e m a s s l o s s. S e a l e v el pr oj e cti o n s. Fi n all y, w e will pr o vi d e r e gi o n al s e a l e v el pr oj e cti o n s al o n g w ell- d e fi n e d ti m e h oriz o n s, i n cl u di n g i m pr o v e d e sti m at e s of u n c ert ai nti e s, b a s e d o n a d v a n c e d E art h s y st e m m o d el s t h at i) all o w f or d y- n a mi c al c o u pli n g b et w e e n o c e a n s, i c e s h e et s (i n cl u di n g f ull St o k e s p h y si c s), at m o s p h er e a n d g e o s p h er e, ii) h a v e r e gi o n all y e n h a n c e d r e s ol uti o n t hr o u g h u n str u ct ur e d m e s h m et h o d ol o gi e s, a n d iii) ar e hi g hl y s c al a bl e. B y e m pl o yi n g e xi sti n g m o d el s, w hi c h t y pi c all y h a v e c o ar s e-r e s ol uti o n a n d n eit h er i n cl u d e i nt er a cti v e i c e s h e et s n or c o n si d er e fi e ct s ari si n g fr o m s elf- gr a vit ati o n, s urf a c e l o a di n g or i nt er a cti o n s wit h t h e g e o s p h er e, w e will d eli v er a n i niti al s et of pr oj e cti o n s, w hi c h s er v e a s a b a s eli n e a g ai n st w hi c h t h e a d v a n c e d E art h s y st e m m o d el s will b e t e st e d. F urt h er m or e, s e n siti vit y e x p eri m e nt s will b e c arri e d o ut t o e st a bli s h t h e r el ati v e i m p ort a n c e of u n d erl yi n g pr o c e s s e s. T h e s e a n al y s e s will p ut e arli er pr oj e cti o n s a n d a s s o ci at e d u n c ert ai nt y e sti m at e s of s e a l e v el c h a n g e i nt o p er s p e cti v e. • D 2. 1 8 ( 2 0 2 5): R e gi o n al s e a l e v el c h a n g e pr oj e cti o n s f or t h e y e ar s 2 0 3 0, 2 0 5 0, 2 1 0 0 f or p at h w a y s i nt o 1. 5 ° C, 2 ° C a n d 4 ° C w ar m er w orl d s. M 2. 1 8- 1 ( 2 0 2 3): E st a bli s h i niti aliz ati o n c a p a cit y t h at all o w s s e a l e v el c h a n g e s c e n ari o s t o c a pt ur e a s p e ct s of o b s er v e d /r e c o n str u ct e d tr aj e ct ori e s. M 2. 1 8- 2 ( 2 0 2 4): Pr o vi d e ffr st s et of s e a l e v el c h a n g e pr oj e cti o n s a s a b a si s f or c o a st al pr oj e cti o n s pl a n n e d i n T 4 a n d t o c o m p ar e a g ai n st C MI P 6 pr oj e cti o n s. I nfr a str u ct ur e s a n d s p e ci fi c r e s o ur c e s. S T 2. 3 r eli e s o n i nfr a str u ct ur e w hi c h all o w s i n sit u o b s er v ati o n s a n d r e m ot e d at a r etri e v al s. T hi s i n cl u d e s: i) s hi p s s u c h a s R V P ol ar st er n f or o c e a n o gr a p hi c, g e o s ci e nti fi c a n d gl a - ci ol o gi c al c o nti n e nt al a n d i c e s h elf s ur v e y s, ii) s at ellit e gr a vit y a n d alti m etr y mi s si o n s s u c h a s G R A C E- F O a n d S A R alti m et er s ( Cr y o S at- 2, S E N TI N E L- 3), iii) p er m a n e nt a n d s u m m er st ati o n s wit h r el at e d o v erl a n d tr a v er s e c a p a biliti e s f or o n-i c e mi s si o n s s u c h a s N e u m a y er- St ati o n III, i v) s urf a c e- b a s e d o p er ati o n s b y air b or n e mi s - si o n s, s p e ci fi c all y p ol ar air pl a n e s, a n d v) ti d e g a u g e a n d G N S S n et w or k s, a n d t h e L a k e I s s y k K ul ( Kyr g yz st a n) gr o u n d-tr ut hi n g f a cilit y f or s at ellit e alti m etr y. T h e d e m a n di n g m o d eli n g a cti viti e s r e q uir e s u fi ci e nt c o m p uti n g r e s o ur c e s, l ar g e- st or a g e s p a c e a n d f a st i nt er c o n n e cti o n of c o m p uti n g a n d st or a g e f a ciliti e s at t h e di fl er e nt c e nt er s ( cf. S T 2. 4). C o o p er ati o n p art n er s. O ur c o o p er ati o n r a n g e s fr o m c o m pl e m e nti n g gr o u p s at u ni v er siti e s t o E ur o p e a n a n d i nt er n ati o n al i n stit uti o n s. P art n er s i n cl u d e J et Pr o p ul si o n L a b or at or y ( U S A) f or i c e- d y n a mi c m o d eli n g a n d G R A C E- F O, PI C E ( D K) f or o p er ati o n s i n Gr e e nl a n d, t h e I T G C ( U S N S F, U K N E R C- B A S) a n d li n k s e st a bli s h e d i n t h e fr a m e w or k of t h e Fil c h n er I c e S h elf S y st e m a n d Fil c h n er I c e S h elf Pr oj e ct ( N E R C- B A S, N or w e gi a n P ol ar I n stit ut e, U ni v er sit y of B er g e n) f or j oi nt l o gi sti c al a n d s ci e nti ff c o p er ati o n s i n A nt ar cti c a. A n e wl y e st a bli s h e d c o o p er ati o n i n t h e fr a m e w or k of t h e Ar cti c S ci e n c e P art n er s hi p wit h o c e a n s ci e nti st s fr o m Gr e e nl a n d ( GI N R) will pr o vi d e fi el d w or k a c c e s s t o t h e o c e a n- gl a ci er s y st e m s ar o u n d Gr e e nl a n d a n d e xt e n si v e s ci e nti ff c k n o wl - e d g e of t h e s e s y st e m s. O ur r e s e ar c h will r el y o n o ur str at e gi c li n k s t o U N E S C O / G L O S S f or t h e a s s e s s m e nt of ti d e g a u g e s, G G O S f or m ai nt ai ni n g t h e pr e ci s e gl o b al r ef er e n c e fr a m e, a n d N A S A f or t h e o p er ati o n a n d a n al y si s of t h e G R A C E- F O mi s si o n. W e will e n g a g e i n s el e ct e d p art n er s hi p s i n or d er t o flll criti c al g a p s i n s e a l e v el r e s e ar c h n ot c o v er e d b y S T 2. 3. S p e ci fi c all y, a bil at er al p art n er s hi p t o t h e U ni v er siti e s of Utr e c ht ( N L) a n d Li è g e ( B E) i s b ei n g e st a b - li s h e d f or s urf a c e m a s s b al a n c e m o d eli n g of i c e s h e et s. A d diti o n all y, w e will str e n gt h e n t h e e xi sti n g li n k t o t h e W orl d Gl a ci er M o nit ori n g S er vi c e ( W G M S) a n d t o t h e Pri orit y R e s e ar c h Pr o gr a m S P P 1 8 8 9 ‘ R e gi o n al S e a L e v el C h a n g e a n d S o ci et y’ of t h e D F G, f u n d e d u ntil 2 0 2 2. T hi s will al s o bri d g e t h e g a p t o e x p ert s of s o ci o- e c o n o mi c e ntiti e s, w hi c h ar e o ur st a k e h ol d er s. Ri s k s a n d O p p ort u niti e s. T h e o b s er v ati o n al p art n at ur all y r u n s t h e ri s k of n ot o bt ai ni n g d at a, f or e x a m pl e b e c a u s e of c a n c ell ati o n of e x p e diti o n s, i n s u fi ci e nt a v ail a bilit y of s hi p ti m e, pr o bl e m s i n t h e r e aliz ati o n of s at - Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 8 7

T o pi c 2: O c e a n a n d Cr y o s p h er e i n Cli m at e M ai n o bj e cti v e s. T h e m ai n o bj e cti v e of t hi s S u bt o pi c i s t o i m pr o v e t h e m et h o d ol o gi c al b a si s of r e s e ar c h c ar - ri e d o ut i n T 2 a n d b e y o n d. T hi s will b e a c hi e v e d t hr o u g h t h e d e v el o p m e nt of n e w o b s er v ati o n al t e c h ni q u e s ( e. g., m o d ul ar o b s er vi n g s y st e m s, s u c h a s M O S E S, F R A M, A R C H E S a n d S M A R T c a bl e s; u p gr a d e of r o b oti c t e c h n ol o - gi e s b y j oi nt i n v e st m e nt s a s pr o p o s e d i n M U S E), s p a c e g e o d eti c o b s er v ati o n s ( e. g., pr o p o s e d n e xt- g e n er ati o n M C M, i n n o v ati v e G N S S a p pli c ati o n s, c o ntri b uti o n s t o t h e S L R a n d V L BI Gl o b al O b s er vi n g S y st e m s), p al e o pr o x - i e s ( e. g., a d v a n c e d pr o x y c ali br ati o n s, c hr o n ol o gi e s, s y n c hr o niz ati o n of ar c hi v e s) a n d n o v el m o d eli n g c a p a citi e s ( e. g., gl o b al m o d eli n g wit h r e gi o n all y r e fi n e d r e s ol uti o n a n d d at a a s si mil ati o n t e c h ni q u e s), i n cl u di n g m o d el s t h at c a pt ur e a wi d e r a n g e of r e s ol uti o n s a n d pr o c e s s e s ( e. g., ti d e s, s urf a c e w a v e s). T h e r a pi dl y e v ol vi n g fi el d of d at a s ci e n c e will al s o b e e x pl oit e d ( e. g., e fi ci e nt a n al y si s of bi g d at a, m a c hi n e l e ar ni n g, vi s u al a n al yti c s). W or k pr o gr a m. S T 2. 4 i s c o m p o s e d of ff v e m ai n r e s e ar c h ar e a s: A ut o n o m o u s T e c h n ol o gi e s, R e m ot e S e n si n g a n d S p a c e G e o d e s y, Pr o x y A n al y si s, E art h S y st e m M o d el D e v el o p m e nt a n d D at a S ci e n c e. A ut o n o m o u s T e c h n ol o gi e s. W e d e pl o y a n d c o nti n u o u sl y a d v a n c e m o bil e a ut o n o m o u s o c e a n o gr a p hi c a n d bi o g e o c h e mi c al o b s er v at ori e s f or c o nti n u o u s, l o n g-t er m, a n d l ar g e- s c al e d at a r e c or di n g a s w ell a s f or dir e ct i nt er a cti o n wit h t h e e n vir o n m e nt ( e. g., t h e Ar g o h y dr o gr a p hi c pr o fil er n et w or k or i c e-t et h er e d pl atf or m s). T o a s s e s s s p e ci fi c pr o c e s s e s ( e. g., at t h e c o nti n e nt al sl o p e a n d s h elf) a ut o n o m o u s gli d er s a n d gli d er s w ar m s will d eli v er m ulti- p ar a m et er d at a s et s. C o or di n at e d a p pli c ati o n s of a ut o n o m o u s o b s er vi n g t e c h n ol o g y will b e i m pl e - m e nt e d vi a m o d ul ar o b s er vi n g c o n c e pt s fr o m i nfr a str u ct ur e s s u c h a s M O S E S or A C R O S S. A ut o n o m o u s s y st e m s ar e al s o of m aj or i m p ort a n c e f or r e s e ar c h i n r e m ot e p ol ar a n d d e e p- s e a e n vir o n m e nt s, a n d t h e y e n h a n c e t h e m e s o- t o s u b- m e s o s c al e o b s er v ati o n al c a p a biliti e s of s hi p b o ar d c a m p ai g n s. C h all e n g e s fr o m p o w er s u p pl y t o r e sili e n c e i n h ar s h p ol ar e n vir o n m e nt s, i c e- c o v er e d o c e a n s a n d t h e d e e p s e a, r e q uir e t e c h ni c al s ol uti o n s. T h e s e i n cl u d e t h e d e v el o p m e nt of a p pr o pri at e s e n s or s y st e m s ( e. g., fi b er o pti c s, S M A R T c a bl e s, m o bil e pl atf or m s a n d st ati o n ar y m o ori n g s i n i c e- c o v er e d ar e a s), st at e- of-t h e- art d e pl o y m e nt t e c h n ol o - gi e s ( e. g., h ot w at er drilli n g f or a c c e s si n g t h e o c e a n b e n e at h i c e s h el v e s), a s w ell a s cl e a n s a m pli n g str at e gi e s (fr o m air, s n o w, s e a w at er a n d s e di m e nt), r e m ot e c o m m u ni c ati o n s t o tr a n s mit a ut o n o m o u sl y a c q uir e d d at a, t h e d e v el o p m e nt of r o b ot s t h at all o w m o nit ori n g a n d o bj e ct m a ni p ul ati o n i n t h e d e e p s e a ( A R C H E S), a n d t h eir l o n g-t er m e n er g y s u p pl y vi a s u b m ari n e f u el c ell s ( A RI M- F U E L). R e m ot e S e n si n g a n d S p a c e G e o d e s y. Al g orit h m d e v el o p m e nt f or n o v el d at a pr o d u ct s of wi d er a n d s o ci et al r el e v a n c e f or v ari o u s s at ellit e s e n s or s i n s u p p ort of gl a ci ol o g y, g e o p h y si c s a n d s e a i c e r e s e ar c h i s a pri orit y. H er e w e ai m at m ulti- mi s si o n pr o d u ct s a n d t h eir c o m bi n ati o n wit h air b or n e a n d gr o u n d- b a s e d d at a, i n cl u di n g a p pli c ati o n s t o u p c o mi n g mi s si o n s ( e. g., n e xt- g e n er ati o n M C M 6 6 ). A d v a n c e d S A R pr o c e s si n g f or s at ellit e- b or n e ( e. g., P oli n S A R, S A R /I n S A R) a n d air b or n e s y st e m s will el u ci d at e i c e s h e et a n d s e a i c e str u ct ur e a n d i m pr o v e n e ar- c o a st al s e a l e v el e sti m ati o n. St u di e s of l o n g-t er m s e a l e v el c h a n g e s r e q uir e i m pr o v e m e nt s i n t h e st a bil - it y a n d c o n si st e n c y of t h e I nt er n ati o n al T err e stri al R ef er e n c e Fr a m e (I T R F). Wit h a d e n s er c o v er a g e of s p a c e g e o d eti c c or e sit e s, a n e v er-i n cr e a si n g n u m b er of o b s er vi n g st ati o n s, a n d n e w a n al yti c al m et h o d ol o gi e s, s u c h a s c o-l o c ati o n i n s p a c e, n e w l e v el s of a c c ur a c y c a n b e e x p e ct e d. U si n g n e w air b or n e s e n s or s, s m all- s c al e n e ar- s urf a c e pr o c e s s e s li k e t ur b ul e n c e o v er i c e- c o v er e d p ol ar o c e a n s or t h e a m o u nt a n d pr o p a g ati o n of s hi p e mi s si o n s i n t h e Ar cti c will b e i n v e sti g at e d. F or t h e a s s e s s m e nt of m elt pr o c e s s e s o n i c e s urf a c e s, h y p er s p e c - tr al t e c h n ol o g y a n d t o p o- b at h y m etri c l a s er s c a n ni n g will b e f urt h er d e v el o p e d. • D 2. 1 9 ( 2 0 2 5): C o ntri b uti o n t o a hi g hl y pr e ci s e I T R F t h at i m pr o v e s t h e c urr e nt st at e t o w ar d s G G O S r e - q uir e m e nt s. M 2. 1 9- 1 ( 2 0 2 1): Si m ul ati o n st u di e s w hi c h i n cl u d e s p a c e-ti e s (i. e., c o-l o c ati o n o n s at ellit e s). M 2. 1 9- 2 ( 2 0 2 3): C o m pl eti o n of a d v a n c e d m et h o d ol o gi e s a n d al g orit h m s f or s p a c e g e o d eti c t e c h ni q u e a n al y si s a n d c o m bi n ati o n of G N S S, S L R, V L BI, a n d D O RI S. Pr o x y A n al y si s. I n v e sti g ati n g p a st cli m at e v ari a bilit y, e xtr e m e e v e nt s a n d pr o c e s s e s i n p a st p eri o d s of w ar m er cli m at e s r e q uir e s d ati n g of p al e o- ar c hi v e s at t h e hi g h e st p o s si bl e t e m p or al r e s ol uti o n a n d a pr e ci s e c o u pli n g b et w e e n di fi er e nt ar c hi v e s (i c e c or e s, m ari n e s e di m e nt s, l a k e s e di m e nt s). T o a c hi e v e t hi s, w e will a d v a n c e t h e u s e of c o s m o g e ni c n u cli d e s (1 0 B e, 2 6 Al) a n d t h e f ull r a n g e of ur a ni u m- s eri e s r a di o n u cli d e s a s w ell a s t e p hr o c hr o n ol o g y a s c hr o n ol o gi c al m ar k er s. T h e s e a p pr o a c h e s will all o w d ati n g c ert ai n ar c hi v e s at a n n u al 6 6 * D o b sl a w H, et al. 2 0 1 6. M o d eli n g of pr e s e nt- d a y at m o s p h er e a n d o c e a n n o n-ti d al d e- ali a si n g err or s f or f ut ur e gr a vit y mi s si o n si m u - l ati o n s. J o ur n al of G e o d e s y. 9 0( 5): 4 2 3 – 4 3 6. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 8 9

T o pi c 2: O c e a n a n d Cr y o s p h er e i n Cli m at e a n d k n o wl e d g e r e pr e s e nt ati o n), a n d d at a vi s u aliz ati o n. A s eri e s of pil ot pr o gr a m s h a s b e e n st art e d t hr o u g h pr oj e ct s i n t h e H el m h oltz I nf or m ati o n & D at a S ci e n c e I n c u b at or ( s e e b el o w). T h e ‘ H el m h oltz S c h o ol f or M a - ri n e D at a S ci e n c e’ ( M ar D A T A) will pl a y a l e a di n g r ol e i n t h e d e v el o p m e nt of d at a s ci e n c e c a p a cit y a n d i n t h e e d u c ati o n of t h e n e xt g e n er ati o n of m ari n e d at a s ci e nti st s. A m o n g ot h er a p pli c ati o n s, AI h ol d s pr o mi s e i n i m pr o vi n g si g n al i d e nti fi c ati o n, p ar a m et eriz ati o n s i n cli m at e m o d el s a n d i n t h e a n al y si s of l ar g e o b s er v ati o n al d at a s et s. F urt h er, t h e c o m p ut ati o n al e fi ci e n c y a n d c o st- e fi e cti v e n e s s of cl o u d pr o c e s si n g will b e a s s e s s e d b y e st a bli s hi n g pr o c e s si n g c h ai n s f or l ar g e d at a v ol u m e s. T h e e ff ci e nt fi o w a n d i nt er o p er a bilit y of d at a s et s fr o m di fi er e nt ori gi n s i s a b ottl e n e c k t o e n d u s er s. T h er ef or e, w e will e xt e n d t h e c o n c e pt s d e v el o p e d f or F R A M a n d O b s er v ati o n s t o Ar c hi v e, i n cl u di n g a d v a n c e d a ut o m ati c q u alit y c o ntr ol s of d at a fr o m m ulti pl e s e n s or s a n d t h e g e n er ati o n of a d v a n c e d d at a pr o d u ct s a v ail a bl e t o t h e wi d er s ci e nti fi c c o m m u nit y. T hi s will b e li n k e d t o n e w j oi nt d at a i niti ati v e s of t h e R F E & E ( s e e C h. 1. 4. 2), i n cl u di n g e nri c h e d m et a d at a a c c or di n g t o t h e F AI R pri n ci- pl e s ( H el m h oltz I n c u b at or), a n d i m pr o v e d, n et w or k e d d at a i nfr a str u ct ur e s ( R F E & E d at a h u b s, s e e b el o w F). • D 2. 2 2 ( 2 0 2 5): A r a n g e of d at a s ci e n c e m et h o d s will b e a p pli e d t o a n al yz e o b s er v ati o n al a n d m o d el d at a. M 2. 2 2- 1 ( 2 0 2 2): E st a bli s h m e nt of a c or e gr o u p i n cl u di n g d at a s ci e nti st s t o pr o vi d e a d v a n c e d m et h o d ol o- gi e s. M 2. 2 2- 2 ( 2 0 2 3): A fir st c o h ort of m ari n e d at a s ci e nti st s will fl ni s h t h eir e d u c ati o n t hr o u g h M ar D A T A. I nfr a str u ct ur e s a n d s p e ci ff c r e s o ur c e s. R o b oti c s y st e m s a n d s e n s or pl atf or m s ar e c o n st a ntl y i m pr o v e d b y all p art n er s, a n d i n cl u d e a r a n g e of m ari n e, l a n d a n d air b or n e t e c h n ol o gi e s, a s w ell a s n e w r o b oti c s. T h e M o d - ul ar E art h S ci e n c e I nfr a str u ct ur e ( M E SI) pr o vi d e s a c c e s s t o s at ellit e s y st e m s ( G R A C E- F O), gr o u n d s e g m e nt s ( S at ellit e R e c ei vi n g St ati o n N y Ål e s u n d), g e o d eti c o b s er v at ori e s ( S L R St ati o n P ot s d a m, G N S S), s at ellit e d at a s y st e m s (I S D C, Gr a vI S), a n d c o ntri b ut e s si g ni fi c a ntl y t o s e v er al I A G s er vi c e s. A n al yti c al f a ciliti e s, i n p arti c ul ar i n str u m e nt ati o n o pti miz e d f or a n al y s e s of s m all s a m pl e s or tr a c e a m o u nt s, i n cl u d e t h e mi ni at ur e r a di o c ar b o n d ati n g s y st e m ( MI C A D A S) a n d a r a n g e of m a s s s p e ctr o m et er s a n d cl e a n l a b or at ori e s. F or n u m eri c al m o d eli n g, all p art n er s m ai nt ai n a r a n g e of i n- h o u s e f a ciliti e s ( Ti er 3 s y st e m s) f or s m all er si m ul ati o n s a n d ff e xi bl e a c c e s s. L ar g er f a ciliti e s ar e a v ail a bl e t hr o u g h t h e Ti er 2 s y st e m of t h e G er m a n Cli m at e C o m p uti n g C e ntr e ( D K R Z) a n d t h e ‘ N or d d e ut s c h e V er b u n d z ur F ör d er u n g d e s H o c h- u n d H ö c h stl ei st u n g sr e c h n e n s’ ( H L R N) a s w ell a s t h e Ti er 0 / 1 s y st e m of t h e J üli c h S u p er c o m p uti n g C e ntr e (J S C). C T A E S M c o nti n u e s t o pl a y a c e ntr al r ol e i n pr o vi di n g i nfr a str u ct ur e a n d g ui di n g t h e di s c u s si o n t o w ar d s a n ati o n al E art h s y st e m m o d eli n g str at e g y. C o o p er ati o n p art n er s. G E O M A R a n d A WI ar e w ell c o n n e ct e d t o t h e n ati o n al a n d i nt er n ati o n al m ari n e i nfr a- str u ct ur e c o m m u nit y t hr o u g h D A M a n d E ur o p e a n alli a n c e s f or s e a g oi n g t e c h n ol o gi e s a n d t h e i nt er n ati o n al G E O - T R A C E S c o m m u nit y, w hi c h c o n si st s of m e m b er s fr o m all l e a di n g i nt er n ati o n al a n d n ati o n al i n stit uti o n s w or ki n g o n tr a c e el e m e nt s a n d t h eir i s ot o p e s. G F Z i s l e a di n g or v er y a cti v el y c o ntri b uti n g t o ei g ht i nt er n ati o n al s er vi c e s of t h e I A G wit h hi g h e st vi si bilit y a n d i m p a ct a n d c o o p er at e s wit h m a n y i nt er n ati o n al p art n er s ( G R A C E- F O S ci - e n c e D at a S y st e m, E ur o p e a n G R A C E- F O S ci e n c e T e a m) i n a n al yzi n g t h e a v ail a bl e d at a. A WI a n d G F Z ar e m ai n c o ntri b ut or s t o t h e d e v el o p m e nt of n e w n ati o n al s at ellit e mi s si o n s ( E n M A P, T A N D E M- L) a n d al g orit h m d e v el o p - m e nt f or n ati o n al a n d E ur o p e a n S e nti n el a n d ot h er E S A mi s si o n s. M o d eli n g a cti viti e s b e n e flt fr o m str o n g str a - t e gi c p art n er s hi p s a s e st a bli s h e d, f or e x a m pl e, t hr o u g h t h e D R A K K A R pr oj e ct ( s ci e nti fi c a n d t e c h ni c al pl a n ni n g) a n d i n v ol v e m e nt i n t h e E xtr e m e E art h c o n s orti u m ( m a ki n g m o d el s a n d a s s o ci at e d w or k fi o w s e x a s c al e-r e a d y). Ri s k s a n d O p p ort u niti e s. I m pr o vi n g a n d i m pl e m e nti n g st at e- of-t h e- art s e n s or s, o b s er v ati o n pl atf or m s a n d r o b oti c t e c h n ol o gi e s i s v er y c o stl y a n d n e e d s c o or di n at e d str at e gi c i n v e st m e nt, a n d n ati o n al a s w ell a s i nt er n a - ti o n al p art n er s hi p s. A pr o p o s al h a s b e e n s u b mitt e d f or r e alizi n g t hi s t a s k t o t h e H el m h oltz Str at e gi c I n v e st m e nt pr o gr a m ( M U S E; s e e C h. 1. 4. 2). T h e r e aliz ati o n of a n e xt- g e n er ati o n M C M, f or w hi c h a str at e gi c i n v e st m e nt pr o p o s al i s pl a n n e d, w o ul d b e a n o p p ort u nit y t o a p pl y s p a c e- b a s e d q u a nt u m s e n s or s, t o i n cr e a s e s p ati al a n d t e m p or al r e s ol uti o n, a n d t o i m pr o v e u n d er st a n di n g of h o w a nt hr o p o g e ni c cli m at e c h a n g e a n d n at ur al cli m ati c c y cl e s i nt er a ct. H o w e v er, t h e s u c c e s s ( s c h e d uli n g, d at a a c c ur a c y) of a s at ellit e mi s si o n i s al w a y s s u bj e ct t o v ari o u s u n c ert ai nti e s a n d a d el a y of t h e l a u n c h of t h e M C M c a n n ot b e e x cl u d e d. D e v el o pi n g n e w pr o xi e s b a s e d o n s e a w at er di stri b uti o n s of m et al s a n d t h eir i s ot o p e s al w a y s b e ar s t h e ri s k of alt er ati o n s u p o n i n c or p or ati o n i nt o p al e o- o c e a n o gr a p hi c ar c hi v e s, w hi c h will b e r e d u c e d b y s y st e m ati c s urf a c e s e di m e nt a n d c ult ur e st u di e s, a s w ell a s t hr o u g h si g n al m o d eli n g a n d st ati sti c al d e c o n v ol uti o n. F ut ur e e x a s c al e c o m p ut er s pr o vi d e t h e o p p or - t u nit y t o p u s h t h e b o u n d ari e s i n hi g h-r e s ol uti o n E art h s y st e m m o d eli n g. H o w e v er, m a ki n g E art h s y st e m m o d el s a n d a s s o ci at e d w or k fi o w s e x a s c al e-r e a d y pr o vi d e s a f or mi d a bl e c h all e n g e t h at will b e t a c kl e d. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 9 1

T o pi c 2: O c e a n a n d Cr y o s p h er e i n Cli m at e p ort i s pr o vi d e d b y st at e- of-t h e- art l a b or at ori e s, a n al yti c al i nfr a str u ct ur e ( S T 2. 4), r e s e ar c h air cr aft a n d e x c ell e nt r e s e ar c h st ati o n s i n t h e Ar cti c, A nt ar cti c a n d t h e tr o pi c s, a s w ell a s hi g h- p erf or m a n c e c o m p uti n g f a ciliti e s. S ci e nti st s i n T 2 al s o h a v e a l o n g e x p eri e n c e i n a g e n d a s etti n g a n d c o or di n ati o n of m aj or l ar g e- s c al e pr oj e ct s. Pr o mi n e nt e x a m pl e s i n cl u d e A D V A N T A G E a n d C T A E S M ( H el m h oltz A s s o ci ati o n), P al M o d a n d N E R O G R A V ( n a- ti o n al), Atl a nt O S / E ur o S e a, A P P LI C A T E, B e y o n d E PI C A ( E ur o p e) a s w ell a s M O S Ai C, t h e Y e ar of P ol ar Pr e di cti o n ( Y O P P), I C D P /I O D P a n d s e v er al W C R P a cti viti e s (i nt er n ati o n al). Fi n all y, T 2 c a n r el y o n str o n g k n o wl e d g e tr a n sf er a cti viti e s t h at w er e e st a bli s h e d a n d e x p a n d e d d uri n g P o F III. T h e Cli m at e O fi c e a n d t h e Ar cti c O fi c e h o st e d b y A WI, a s w ell a s t h e Gr a vit y I nf or m ati o n S er vi c e ( Gr a vI S) h o st e d b y G F Z ar e pr o mi n e nt e x a m pl e s. F urt h er m or e, A WI a n d G E O M A R s ci e nti st s pl a y a l e a di n g r ol e i n cli - m at e p oli c y f or U N F C C C ( e. g., U N D e c a d e of O c e a n S ci e n c e f or S u st ai n a bl e D e v el o p m e nt) a n d h a v e a cti v el y c o ntri b ut e d t o p a st a n d f ort h c o mi n g I P C C r e p ort s. U ni q u e n e s s. T h e T 2 c o n s orti u m, al o n g wit h t h eir str at e gi c p art n er s, pr o vi d e s t h e e x p erti s e a n d criti c al m a s s t o a c hi e v e m aj or s ci e nti fi c a d v a n c e s of s o ci et al r el e v a n c e. T 2 s ci e nti st s r el y o n a u ni q u e p ortf oli o of m o d er n r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e s s u c h a s r e s e ar c h v e s s el s, air cr aft, s at ellit e s, r e s e ar c h st ati o n s, l a b or at ori e s, o b s er v a - ti o n pl atf or m s a n d hi g h- p erf or m a n c e c o m p ut er s. F urt h er m or e, b y bri n gi n g t o g et h er e x p ert s fr o m t hr e e c e nt er s – c o m bi ni n g k n o w- h o w i n o b s er v ati o n s, r e m ot e s e n si n g, t h e or y, m o d eli n g a n d d at a s ci e n c e – T 2 s ci e nti st s will b e a bl e t o t a c kl e s ci e nti ff c c h all e n g e s t h at r e q uir e a s y st e m s a p pr o a c h. I n- h o u s e e x p erti s e i n m o d eli n g al o n g wit h criti c al str at e gi c p art n er s hi p s will e n s ur e t h at n e w k n o wl e d g e will b e i m pl e m e nt e d i n m o d el s, t h u s pr o - vi di n g a dir e ct w a y t o e n h a n c e d pr o g n o sti c c a p a cit y r el e v a nt t o s o ci et y. T 2 al s o b e n e fit s fr o m w ell- e st a bli s h e d k n o wl e d g e tr a n sf er a cti viti e s t h at ar e cl o s el y ti e d t o t h e r e s e ar c h a cti viti e s. T h e a v ail a bilit y of l o n g-t er m f u n d - i n g t hr o u g h t h e H el m h oltz A s s o ci ati o n i s a n ot h er str e n gt h t h at all o w s u s t o a d dr e s s c h all e n g e s t h at r e q uir e c o n c ert e d e fi ort s o v er s u st ai n e d p eri o d s of ti m e. F) C oll a b or ati o n a n d tr a n sf er P art n er s. T 2 h a s str o n g str at e gi c ti e s t o w ell- e st a bli s h e d r e gi o n al n et w or k s. At t h e n ati o n al l e v el, b e y o n d m ul - ti pl e ti e s t o l o c al u ni v er siti e s, str at e gi c p art n er s hi p s ar e r e fi e ct e d b y l ar g e- s c al e pr oj e ct s s u c h a s t h o s e f u n d e d b y t h e B M B F ( e. g., P al M o d, S P A C E S, R O MI C) a n d t h e D F G ( e. g., S P P S e a L e v el, T R R Ar cti c A m pli fi c ati o n). I m p ort a nt p art n er s at t h e n ati o n al l e v el i n cl u d e t h e M a x Pl a n c k I n stit ut e s f or M et e or ol o g y a n d C h e mi str y, t h e G er m a n Cli m at e C o m p uti n g C e ntr e ( D K R Z 8 0 ) a n d D L R. F urt h er m or e, T 2 s ci e nti st s t e a m u p wit h str at e gi c p art- n er s at t h e E ur o p e a n l e v el t hr o u g h v ari o u s pr oj e ct s a n d c o or di n at e d a cti viti e s ( e. g., Atl a nt O S / E ur o S e a, A P P LI - C A T E a n d B e y o n d E PI C A) a n d t hr o u g h p art n er s hi p wit h t h e E ur o p e a n S p a c e A g e n c y a n d E C M W F. Hi g h- pr o fll e i nt er n ati o n al p art n er s al s o i n cl u d e N A S A f or t h e o p er ati o n of t h e gr a vit y mi s si o n G R A C E- F O a n d t h e pl a n ni n g of t h e n e xt g e n er ati o n M C M a s w ell a s A A RI ( St. P et er s b ur g) f or Ar cti c r e s e ar c h a n d t h e Qi n g d a o N ati o n al L a b or at or y f or M ari n e S ci e n c e a n d T e c h n ol o g y. P o siti o ni n g of t h e T o pi c i n i nt er n ati o n al r e s e ar c h. T 2 s ci e nti st s h a v e a tr a c k r e c or d i n s h a pi n g, c o or di n at- i n g a n d c o ntri b uti n g t o m aj or n ati o n al, E ur o p e a n a n d gl o b al pr oj e ct s t h at c o m bi n e c o m pl e m e nt ar y e x p erti s e f or s ol vi n g m aj or s ci e nti ff c c h all e n g e s ( s e e pr e vi o u s s e cti o n). Str at e gi c p art n er s hi p at t h e i nt er n ati o n al l e v el i s e st a bli s h e d t hr o u g h pr o gr a m s s u c h a s W C R P, W W R P, I O D P, G C O S, W G M S a n d G G O S. T hi s str at e g y will c o n - ti n u e t o b e p ur s u e d i n P o F I V gi v e n t h at it all o w s bri n gi n g t o g et h er of str at e gi c all y r el e v a nt pl a y er s i n t h e fi el d ( s e e p art n er s m e nti o n e d a b o v e) w hil e e x pl oiti n g c o m pl e m e nt arit y i n e x p erti s e a n d a cti viti e s. Cr o s s- T o pi c a n d Cr o s s- C utti n g A cti viti e s a n d Alli a n c e s. F or T 2, C A R F R E K LI M will pl a y a criti c al r ol e i n bri d gi n g r e s e ar c h a cti viti e s o n pr e s e nt a n d f ut ur e s e a l e v el c h a n g e, a s w ell a s f or a n al yzi n g e xtr e m e e v e nt s a n d a br u pt cli m at e tr a n siti o n s. T 2 al s o b e n e fft s fr o m R E K LI M’ s w ell- e st a bli s h e d k n o wl e d g e tr a n sf er a cti viti e s. T 2 s ci e nti st s ar e a cti v el y e n g a g e d i n C A R F HI- C A M, e s p e ci all y i n t h e p art o n a d a pt ati o n t o E ur o p e a n e xtr e m e e v e nt s s u c h a s h e at w a v e s a n d dr o u g ht s. T 2 pr o vi d e s k n o wl e d g e of dri v er s r el at e d t o j et str e a m c h a n g e s a n d st or yli n e s c e n ari o s t o t h e i m p a ct m o d el er s. 8 0 A WI i s a s h ar e h ol d er of D K R Z ( 9 % s h ar e). Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 9 3

T o pi c 2: O c e a n a n d Cr y o s p h er e i n Cli m at e c o m m u ni c ati o n. At t h e n ati o n al l e v el, T 2 will t e a m u p wit h p art n er s u n d er t h e u m br ell a of t h e D e ut s c h e s Kli m a K o n s orti u m ( D K K), D e ut s c h e Alli a nz f ür M e er e sf or s c h u n g ( D A M) a n d t h e G er m a n M ari n e R e s e ar c h C o n s orti u m ( K D M) t o m a xi miz e a n d i m pr o v e it s s er vi c e t o s o ci et y ( e. g., t hr o u g h pr o vi si o n of j oi nt br o c h ur e s s u c h a s t h e o n e r e c e ntl y pr o d u c e d o n t h e G ulf Str e a m). Fi n all y, st a k e h ol d er n et w or k s i n t h e c o nt e xt of E ur o p e a n pr oj e ct s s u c h a s Atl a nt O S / E ur o S e a or t h e Ar cti c E ur o p e a n Cl u st er will b e e x pl oit e d. A cr o s s all p art n er s hi p di m e n si o n s, cl o s e c oll a b or ati o n wit h o p er ati o n al c e nt er s f or tr a n sf erri n g r e s e ar c h i nt o o p er ati o n s will b e k e y. E x e c uti v e S u m m ar y • • • T 2 t e a m s u p t o cl o s e criti c al k n o wl e d g e g a p s i n o ur u n d er st a n di n g of t h e o c e a n a n d cr y o s p h er e a n d t h eir r ol e i n t h e cli m at e s y st e m, b uil di n g o n l o n g-t er m m o nit ori n g, o b s er v ati o n s, pr o c e s s u n d er st a n di n g, a n d m o d eli n g. R e s e ar c h f o c u s e s o n t h e dri v er s of gl o b al a n d r e gi o n al cli m at e c h a n g e, v ari a bilit y a n d e xtr e m e e v e nt s a n d t h eir i m p a ct s wit h e m p h a si s o n i c e s h e et s a n d s e a i c e, s e a l e v el a s w ell a s o c e a n t e m p er at ur e s a n d cir c ul ati o n. T h er e b y, t h e pr o g n o sti c c a p a citi e s fr o m t h e p ol e s t o t h e tr o pi c s a n d fr o m d ail y t o mill e n ni al ti m e s c al e s will b e a d v a n c e d. F r o m a n o c e a n a n d cr y o s p h er e p er s p e cti v e, T 2 a d dr e s s e s gl o b al a n d r e gi o n al cli m at e c h a n g e, e xtr e m e e v e nt s ( e. g., HI- C A M) a n d t h eir m o d eli n g a n d pr e di ct a bilit y ( wit h T 1, T 4, T 6). T 2 c o ntri b- ut e s t o r e s e ar c h o n bi o g e o c h e mi c al c y cl e s a n d e c o s y st e m s ( wit h T 6), t err e stri al pr o c e s s e s s u c h a s p er m afr o st t h a wi n g a n d dr o u g ht s ( wit h T 5), a s w ell a s i m p a ct s of s e a l e v el c h a n g e s o n c o a st s ( wit h T 4). T 2 f o c u s e s o n dri v er s a n d i m p a ct s of n at ur al a n d a nt hr o p o g e ni c c h a n g e s of t h e o c e a n a n d cr y o - s p h er e a s i nt e gr al c o m p o n e nt s of t h e cli m at e s y st e m dir e ctl y a fi e cti n g s o ci et y. T 2 will c o ntri b ut e b a si c k n o wl e d g e a n d s ci e n c e- b a s e d s c e n ari o s t o i nf or m a d a pt ati o n a n d miti g ati o n m e a s ur e s i n t h e c o nt e xt of t h e 2 0 3 0 S D G A g e n d a a n d t h e P ari s Cli m at e A gr e e m e nt. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 9 5

T o pi c 3: Li vi n g o n a R e stl e s s E art h: T o w ar d s F or e c a sti n g G e o h az ar d s I n or d er t o a d dr e s s t h e s e c h all e n g e s, T o pi c 3 ( T 3) will e x p a n d a n d d e v el o p n e w m et h o d s f or a s s e s si n g, si m ul ati n g, a n d f or e c a sti n g 8 3 g e o h az ar d s t hr o u g h a n e v e n str o n g er m ulti- di s ci pli n ar y r e s e ar c h a p pr o a c h ( a s r e c o m m e n d e d d uri n g t h e P o F III e v al u ati o n). T h e s e will b e i nt e gr at e d i nt o e fi ort s t o g ai n a gr e at er u n d er st a n di n g of t h e g e ol o gi - c al, g e o c h e mi c al, a n d g e o p h y si c al pr o c e s s e s t h at l e a d t o s u c h e v e nt s, i n cl u di n g t h eir pr o b a bilit y, m a g nit u d e, a n d e xt e nt. O ur r e s e ar c h str at e g y will h a v e a p arti c ul ar f o c u s o n ur b a n ar e a s a n d t h e l a n d- s e a i nt erf a c e, w h er e t h e l ar g e st g e o h az ar d-r el at e d di s a st er s h a v e o c c urr e d d uri n g t h e l a st d e c a d e. T h e s c o p e of o ur i n v e sti g ati o n s s h o ul d c o n si d er t h e e ntir e pl a n et E art h: t h e s urf a c e a n d n e ar- s urf a c e g e ol o g y w hi c h c o ntr ol s h y dr ol o g y a n d g e o m or p h ol o g y, t h e cr u st al a n d m a ntl e i nt er a cti o n s t h at c o ntr ol t e ct o ni c str e s s a n d dri v e lit h o s p h eri c pl at e s a n d v ol c a ni s m, a n d t h e c or e, t h e s o ur c e of t h e g e o m a g n eti c fi el d w hi c h i nt er a ct s wit h t h e s ol ar wi n d. O ur r e s e ar c h n e e d s t o c o v er all ti m e s c al e s, fr o m s e c o n d s t o h o ur s (l a n d sli d e s, e art h - q u a k e s, t s u n a mi s), d a y s t o y e ar s ( v ol c a ni c er u pti o n s), a n d y e ar s t o milli o n s of y e ar s ( e. g., cr u st al m oti o n), w hil e t h e r e c urr e n c e r at e s of t h e e v e nt s of c o n c er n r a n g e fr o m m o nt h s t o t h o u s a n d s of y e ar s. E x pl a n ati o n a n d j u sti fi c ati o n of r e s e ar c h. A b o ut 2. 7 billi o n p e o pl e ( 1 / 3 of t h e gl o b al p o p ul ati o n) ar e e x p o s e d t o e art h q u a k e h az ar d s, a n d m or e t h a n 7 0 0 milli o n li v e n e ar d a n g er o u s v ol c a n o e s. E xtr e m el y l ar g e (i n t er m s of t h e m a g nit u d e of t h e e v e nt or i m p a ct o n s o ci et y) g e o h az ar d e v e nt s p o s e a s eri o u s c h all e n g e t o t h e gl o b al c o m m u nit y. T hi s i s e x e m pli ff e d b y t h e c a s c a di n g e fi e ct s of t h e 2 0 1 1 T o h o k u e art h q u a k e, w hi c h tri g g er e d a d e v a st ati n g t s u n a mi t h at d a m a g e d t h e F u k u s hi m a n u cl e ar p o w er pl a nt, a s w ell a s c a u si n g v ol c a ni c u nr e st, n u m er o u s l a n d sli d e s, a n d w at er l e v el c h a n g e s i n a q uif er s t h o u s a n d s of kil o m et er s di st a nt. S u c h e v e nt s c a n h a v e f ar-r e a c hi n g s o ci et al e fi e ct s ar o u n d t h e w orl d; f or e x a m pl e, t h e F u k u s hi m a di s a st er l e d t o t h e p oliti c al d e ci si o n t o e n d n u cl e ar p o w er pr o d u cti o n i n G er m a n y b y 2 0 2 2. 8 4 F urt h er m or e, cli m at e c h a n g e a n d h u m a n a cti viti e s e x a c er b at e s o m e g e o h a z ar d s , e. g., i n cr e a s e d l a n d sli d e s u s c e pti bilit y d u e t o d ef or e st ati o n, or i n d u c e d s ei s mi c e v e nt s tri g g er e d b y t h e i nj e cti o n of fi ui d s d uri n g s h al e g a s or g e ot h er m al pr o d u cti o n.8 5 Fi n all y, s o ci et y’ s r eli a n c e o n hi g h-t e c h n ol o g y i nfr a str u ct ur e i n cr e a s e s it s v ul n er a bilit y t o g e o h a z ar d s. F or e x a m pl e, e v e n s m all v ol c a ni c er u pti o n s c a n s e v er el y di sr u pt air tr a fi c ( e. g., t h e 2 0 1 0 er u pti o n of E yj afj all aj ö k ull i n I c el a n d8 6 ), w hil e i o nizi n g r a di ati o n fr o m g e o m a g n eti c st or m s c a n h ar m s at ellit e s. Fi g. 3. 1: E x a m pl e s of t h e g e o h az ar d s a n d t h eir i m p a ct s t h at will b e a d dr e s s e d i n T o pi c 3. 8 3 F or e c a st r ef er s h er e t o a “ d e fl nit e st at e m e nt or st ati sti c al e sti m at e of t h e li k el y o c c urr e n c e of a f ut ur e e v e nt or c o n diti o n s f or a s p e- ci ff c ar e a”. 2 0 0 9 U NI S D R T er mi n ol o g y o n Di s a st er Ri s k R e d u cti o n, U NI S D R- 2 0- 2 0 0 9- G e n e v a. 8 4 htt p s://w w w. d w. c o m / e n / g er m a n- c a bi n et- a p pr o v e s- 2 0 2 2- n u cl e ar- s h ut d o w n / a- 1 5 1 3 4 0 2 8- 1 8 5 * L ó p ez- C o mi n o J A, et al. 2 0 1 8. I n d u c e d s ei s mi cit y r e s p o n s e of h y dr a uli c fr a ct uri n g: r e s ult s of a m ulti di s ci pli n ar y m o nit ori n g at t h e W y si n sit e, P ol a n d. S ci e nti fi c R e p ort s. 8: 8 6 5 3. 8 6 S a n d er s o n K. 2 0 1 0. Q u e sti o n s ff y o v er a s h- cl o u d m o d el s. N at ur e. 4 6 4: 1 2 5 3. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 9 7

T o pi c 3: Li vi n g o n a R e stl e s s E art h: T o w ar d s F or e c a sti n g G e o h az ar d s Fi g. 3. 2: E x a m pl e s of m aj or t h e m ati c- dri v e n li n k s b et w e e n T 3 a n d ot h er s. • • • I n cre a si n g er o si o n d u e t o l a n d sli d e s, 9 2 t h e p ert ur b ati o n of t h e E art h’ s s urf a c e b y e art h q u a k e s, a n d i n cr e a s e d s u s c e pti bilit y t o m a s s- m o v e m e nt (r o c kf all s, d e bri s fi o w s, a n d l a n d sli d e s) d u e t o cli m at e c h a n g e ( e. g., e x - tr e m e r ai n e v e nt s) m oti v at e s i nt er a cti o n s wit h T 5 t o e n h a n c e o ur u n d er st a n di n g of E art h s urf a c e pr o c e s s e s. T hi s al s o r e q uir e s t h e st u d y of at m o s p h er e / s urf a c e i nt er a cti o n s, l e a di n g t o li n k s wit h T 1 a n d T 2. G N S S (i. e., G P S, G L O N A S S, B ei D o u a n d G alil e o) at m o s p h eri c m o nit ori n g ( T 1) will i m pr o v e t h e c orr e cti o n s r e q uir e d f or m or e pr e ci s e pl at e m oti o n m o nit ori n g. T h e a n al y si s of e xtr e m e s p a c e w e at h er e v e nt s will al s o b e s h ar e d wit h T 1 si n c e t h e at m o s p h er e a n d n e ar- E art h s p a c e s o ur c e s of t h e E art h’ s m a g n eti c fi el d ar e cr u ci al w h e n c o n str ai ni n g v ari ati o n s i n t h e g e o m a g n eti c fi el d a n d vi c e v er s a. T h e i s s u e of e xtr e m e e v e nt s i s of c o n c er n t o T 2 (r ol e of t h e o c e a n i n t h e cli m at e), T 4 ( c o a st al tr a n siti o n z o n e s), a n d T 5 ( ff o o d s), l e a di n g t o a str o n g m ut u al i nt er e st i n h o w cli m at e c h a n g e a n d e xtr e m e g e o h az ar d s e v e nt s i nt er a ct. Hi g hli g ht s. T 3 pl a n s t o u n d ert a k e a br o a d s y st e m s r e s e ar c h pr o gr a m f o c u si n g o v er g e o h a z ar d o n di fi er e nt s c al e s, fr o m m at eri al s ci e n c e s t o a p pli e d s ci e n c e, fr o m t h e at o mi c s c al e t o t h e gl o b al s c al e. T 3, vi a it s m o nit ori n g pr o gr a m, will a c q uir e, i nt e gr at e, a n d e x pl oit l o n g ti m e s eri e s of s e a-l a n d- s p a c e o b s er v ati o n s. T hi s i nf or m ati o n, w h e n c o u pl e d wit h i n n o v ati v e d at a mi ni n g str at e gi e s, will pr o vi d e a n u n pr e c e d e nt e d p ot e nti al t o d et e ct c h a n g e s t h at d e vi at e fr o m t h e b a c k gr o u n d si g n al s. T h e s e r e s ult s, i n t ur n, will b e c o m bi n e d wit h a d v a n c e d m o d eli n g s c h e m e s t o e v al u at e if s u c h c h a n g e s ar e i n di c ati v e of a f ort h c o mi n g e v e nt, l e a di n g t o n e w p ar a di g m s f or g e o h az ar d f or e c a sti n g. T 3 will d e v el o p m o nit ori n g a n d r e s e ar c h str at e gi e s t h at ar e a d a pt e d t o, a n d t a k e a d v a nt a g e of, ur b a n e n vir o n m e nt s ( e. g., t h e u s e of fi b er o pti c s n et w or k s or cr o w d s o ur c e d d at a). G e o h az ar d s f or e c a st s will b e i nt e gr at e d i nt o e arl y w ar ni n g s y st e m s or ur b a n ri s k m o d el s t h at t a k e i nt o a c c o u nt a d v a n c e d i nfr a str u ct ur e, o n l a n d a n d i n n e ar s p a c e.9 3 T h e s e a cti viti e s will pr o vi d e a v al u a bl e c o ntri b uti o n t o, a n d b e n e fit fr o m, t h e a cti viti e s a s s o ci at e d wit h C A R F R e sili e nt Ur b a n S p a c e s. 9 2 * E m b er s o n R, et al. 2 0 1 6. C h e mi c al w e at h eri n g i n a cti v e m o u nt ai n b elt s c o ntr oll e d b y st o c h a sti c b e dr o c k l a n d sli di n g. N at ur e G e o- s ci e n c e. 9: 4 2 – 4 5. 9 3 * S h prit s Y, et al. 2 0 1 8. Di s c u s si o n s o n st a k e h ol d er r e q uir e m e nt s f or s p a c e w e at h er-r el at e d m o d el s. S p a c e W e at h er. 1 6( 4): 3 4 1 – 3 4 2. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 9 9

T o pi c 3: Li vi n g o n a R e stl e s s E art h: T o w ar d s F or e c a sti n g G e o h az ar d s Fi g. 3. 3: T h e h oli sti c r o ut e fr o m t h e dri v er s of g e o h az ar d s t o t h eir i m p a ct. of d at a a c q ui siti o n c a p a cit y a n d pr o c e s s-r el at e d f u n d a m e nt al a n d a p pli e d r e s e ar c h i s t h e d e fi ni n g str e n gt h of T 3. T h e k e y el e m e nt s s u p p orti n g T 3’ s r e s e ar c h ar e t h e l o n g-t er m Pl at e B o u n d ar y O b s er v at ori e s ( P B O s) d e v el o p e d o v er t h e l a st d e c a d e ( e. g., at t h e N ort h A n at oli a n f a ult, N ort h er n C hil e), gl o b al n et w or k s f or s ei s mi c m o nit ori n g ( e. g., G E O F O N 9 5 ), a n d st ati o n s f or m o nit ori n g t h e E art h’ s m a g n eti c a n d gr a vit ati o n al fi el d s. T h e gl o b al s c o p e i s f urt h er s u p p ort e d b y s at ellit e mi s si o n s ( G F Z i s a pri n ci p al p art n er of G R A C E- F O, Gr a vit y R e c o v er y a n d Cli m at e C h a n g e E x p eri m e nt 9 6 a n d i s i n v ol v e d i n S W A R M9 7 ), a s w ell a s G N S S a n d s at ellit e r a d ar ( e. g., I n S A R a p pli c ati o n s f or m e a s uri n g s urf a c e d ef or m ati o n). Criti c al f or l a n d- s e a o b s er v ati o n s ar e m ari n e r e s e ar c h v e s s el s ( G E O M A R will c o or di n at e t h e v e s s el t o r e pl a c e t h e P o s ei d o n a n d M et e or). Fi n all y, b ot h G F Z a n d G E O M A R o p er at e a n u m b er of st at e- of-t h e- art a n al yti c al a n d e x p eri m e nt al l a b or at ori e s ( e. g., f or b ul k s a m pl e a n d i n sit u g e o c h e mi str y a n d g e o c hr o n ol o g y) a n d h a v e e xt e n si v e e x p eri e n c e i n t h e d e v el o p m e nt of i n n o v ati v e m o d eli n g a n d d at a a n al y si s t o ol s. A n e x a m pl e of h o w all of t hi s i nfr a str u ct ur e will b e e x pl oit e d i s t h e G F Z M E SI ( M o d ul ar E art h S ci e n c e I nfr a str u ct ur e9 8 ) fr a m e w or k, w hi c h c o v er s t h e o v er all m a n a g e m e nt of t h e s p a c e s y st e m s, gl o b al o b s er v at or y n et w or k s, k e y l a b or at ori e s, a n d a m o bil e g e o p h y si c al i n str u m e nt p o ol ( s e e C h. 1 4). 9 5 S e e htt p s://g e of o n. gfz- p ot s d a m. d e /. 9 6 S e e htt p s://w w w. gfz- p ot s d a m. d e / e n / s e cti o n / gl o b al- g e o m o nit ori n g- a n d- gr a vit y- fi el d / pr oj e ct s / gr a vit y-r e c o v er y- a n d- cli m at e- e x p eri m e nt-f oll o w- o n- gr a c e-f o- mi s si o n /. 9 7 S e e htt p s://w w w. gfz- p ot s d a m. d e / e n / s e cti o n / g e o m a g n eti s m /i nfr a str u ct ur e / s w ar m /. 9 8 S e e htt p s://w w w. gfz- p ot s d a m. d e / e n / s ci e nti ff c-i nfr a str u ct ur e /r e s e ar c h-i nfr a str u ct ur e s /. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 0 1

T o pi c 3: Li vi n g o n a R e stl e s s E art h: T o w ar d s F or e c a sti n g G e o h az ar d s Pr o c e s s e s. T h e c o m pl e x li n k s b et w e e n m at eri al pr o p erti e s, g e ol o gi c al str u ct ur e s, g e o fi ui d s, a n d t h eir t e m p or al e v ol uti o n c a n o nl y b e u n d er st o o d wit hi n a m ulti di s ci pli n ar y fr a m e w or k w h er e o b s er v ati o n al, a n al yti c al, a n d e x p eri m e nt al st u di e s (t h e m e s 1 – 3 a b o v e) ar e c o m bi n e d wit h cr o s s- s c al e m o d eli n g a n d d at a i nt e gr ati o n. T h u s, a v ari et y of m o d eli n g t o ol s will b e d e v el o p e d a n d i m pr o v e d i n cl u di n g; m a ntl e a n d c or e c o n v e cti o n si m ul ati o n s, cr o s s- s c al e lit h o s p h er e d ef or m ati o n a n d s urf a c e pr o c e s s e s, at o mi sti c n u m eri c al a n d el a st o- gr a vit ati o n al w a v e si m ul ati o n s, a n d s p a c e w e at h er m o d el s t h at r e pr o d u c e t h e d y n a mi c s of e n er g eti c p arti cl e s i n t h e n e ar- s p a c e e n vir o n m e nt. 1 0 3 T h e s e l ar g e- s c al e a n d l o n g-t er m m o d el s of g e o pr o c e s s e s ar e n e e d e d t o c o n str ai n t h e i niti al a n d b o u n d ar y c o n diti o n s f or m or e s p e ci fi c c o n c e pt m o d el s of r e s o ur c e f or m ati o n a n d r e s er v oir si m ul ati o n s i n T 8. D eli v er a bl e s ( D) a n d Mil e st o n e s ( M) • • D 3. 1 ( 2 0 2 7): 4 D-i nt e gr ati o n of m ulti di s ci pli n ar y s u b s urf a c e i m a gi n g wit h g e o m at eri al pr o p erti e s. M 3. 1- 1 ( 2 0 2 2): D e pl o y m e nt of d e n s e s e n s or n et w or k s f or hi g h-r e s ol uti o n i m a gi n g of t h e cr u st at k e y sit e s i n or d er t o a n al yz e t h e dri v er s of d ef or m ati o n a n d s ei s mi cit y. M 3. 1- 2 ( 2 0 2 3): E st a bli s h m e nt of a pl atf or m f or g e o d y n a mi c, v ol c a n ol o gi c al, a n d g e o c h e mi c al d at a s h ari n g a n d i nt e gr ati o n (i n cl u di n g e st a bli s hi n g a c or e l o g s ei s mi c i nt e gr ati o n r e s e ar c h c e nt er). M 3. 1- 3 ( 2 0 2 5): D e v el o p m e nt of e m piri c al r el ati o n s hi p s b et w e e n g e ol o gi c al c a s e st u di e s wit h e x p eri m e nt al / at o mi sti c i n v e sti g ati o n s t o q u a ntif y t h e k e y pr o p erti e s of E art h m at eri al s a n d t h eir r e s p o n s e t o c h a n gi n g g e o d y n a mi c c o n diti o n s. D 3. 2 ( 2 0 2 7): Q u a nti fi c ati o n of t h e k e y d y n a mi c i n st a biliti e s of t h e S oli d E art h s y st e m. M 3. 2- 1 ( 2 0 2 4): D e v el o p m e nt of e x a s c al e m o d eli n g m et h o d ol o gi e s t o si m ul at e t hr e s h ol d s a n d tr a n siti o n s t o w ar d s i n st a - biliti e s i n t h e E art h’ s s u b s y st e m s ( e. g., e art h q u a k e c y cl e s, p arti cl e p o p ul ati o n s i n t h e i n n er m a g n et o - s p h er e, v ol c a ni s m, a n d v ol atil e r el e a s e pr o c e s s e s at pl at e b o u n d ari e s). M 3. 2- 2 ( 2 0 2 5): R e c o n str u cti o n of m ulti- p ar a m et er (ti m e- c o m p o siti o n- m a g nit u d e) r e c or d s of v ol c a ni c a cti vit y, t h eir c y cl e s, a n d i nf err e d tr e n d s f or k e y st u d y ar e a s. Fi g. 3. 4: S u bt o pi c 3. 1 will i nt e gr at e l a b or at or y- d e ff n e d m at eri al pr o p erti e s wit h g e ol o gi c al o b s er v ati o n s ( str u ct ur e s, m a p pi n g) a n d a g e d ati n g i nt o 4- D m o d el s of g e o pr o c e s s e s t h at dri v e g e o h az ar d s. 1 0 3 * S h prit s Y Y, et al. 2 0 1 8. T h e d y n a mi c s of V a n All e n b elt s r e vi sit e d. N at ur e P h y si c s. 1 4( 2): 1 0 2 – 1 0 3. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 0 3

T o pi c 3: Li vi n g o n a R e stl e s s E art h: T o w ar d s F or e c a sti n g G e o h az ar d s Fi g. 3. 5: L a n d- s e a- s p a c e i nt e gr ati o n of o b s er v at ori e s a n d n et w or k s will t ar g et g e o h az ar d s r el at e d t o e art h q u a k e s, v ol c a n o e s, l a n d sli d e s, si n k h ol e s, a n d s u b si d e n c e. D eli v er a bl e s ( D) a n d Mil e st o n e s ( M) • • D 3. 3 ( 2 0 2 7): M et h o d ol o gi c al fr a m e w or k f or t h e d et e cti o n, i d e nti fi c ati o n, a n d a n al y si s of pr e p ar at or y pr o- c e s s e s r el at e d t o v ari o u s h az ar d s u si n g st at e- of-t h e- art fi el d m o nit ori n g. M 3. 3- 1 ( 2 0 2 1): E st a bli s h m e nt of t h e n e xt g e n er ati o n of P B O s, e s p e ci all y at t h e l a n d- s e a i nt erf a c e ( e. g., Mt. Et n a cr o s si n g-t h e- s h or e-li n e o b s er v at or y), a n d t h e d e v el o p m e nt of n e w tr a n si e nt o b s er v at ori e s ( e. g., a n Eif el tr a n si e nt o b s er v at or y). M 3. 3- 2 ( 2 0 2 3): E st a bli s h m e nt of a s e a, l a n d, a n d s p a c e t a s k f or c e( s) t o i n str u m e nt r e gi o n s e x p eri e n ci n g tr a n si e nt e pi s o d e s a n d t h e p ot e nti al b uil d- u p t o e xtr e m e h az ar d o u s e v e nt s. D 3. 4 ( 2 0 2 7): D e v el o p m e nt of t h e n e xt g e n er ati o n of m o d eli n g a n d l a b or at or y i n v e sti g ati o n s of pr e p ar at o- r y p h a s e s t o e n a bl e t h e f or e c a sti n g of g e o h az ar d s b y i n c or p or ati n g n e w c o n stit uti v e r el ati o n s d e s cri bi n g m at eri al b e h a vi or. M 3. 4- 1 ( 2 0 2 3): C o m pl eti o n of l a b or at or y a n d i n sit u e x p eri m e nt s t h at c o n str ai n t h e v al- u e s at w hi c h p ar a m et er s r el e v a nt t o di fi er e nt g e o h az ar d s u n d er c o ntr oll e d c o n diti o n s f ail. M 3. 4- 2 ( 2 0 2 5): D e v el o p m e nt of c o n stit uti v e l a w s t h at c a pt ur e t h e c o m pl e x b e h a vi or s ( e. g., n o n-li n e ar d ef or m ati o n) t h at pr e c e d e di ff er e nt g e o h az ar d e v e nt s a n d t h eir i m pl e m e nt ati o n i nt o st at e- of-t h e- art 4 D f or w ar d m o d el s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 0 5

T o pi c 3: Li vi n g o n a R e stl e s s E art h: T o w ar d s F or e c a sti n g G e o h az ar d s W or k pr o gr a m. T h e w or k pr o gr a m i s di vi d e d i nt o t hr e e p art s: F or e n si c a n al y si s of p a st e v e nt s. Hi g h- q u alit y ( c o m pl et e wit hi n a gi v e n ti m e p eri o d) c at al o g s a n d g e ol o gi c al ar c hi v e s of e xtr e m e e v e nt s ar e e s s e nti al f or d e v el o pi n g a n d v ali d ati n g t h e s c e n ari o s, a n d t o q u a ntif y t h e i m p a ct of f ut ur e e xtr e m e e v e nt s, a s w ell a s d e s cri bi n g t h eir f ut ur e o c c urr e n c e i n a pr o b a bili sti c w a y. N e w f or e n si c a n al y si s m et h o d s will b e d e v el o p e d t o b ett er u n d er st a n d c a s c a di n g p h e n o m e n a (f o c u si n g o n m a s si v e m ari n e l a n d sli d e s tri g g er e d b y e art h q u a k e s, or v ol c a ni c er u pti o n s t h at g e n er at e t s u n a mi s). Hi g h r e s ol uti o n a n d gl o b al c h ar a ct eri z ati o n of e xtr e m e e v e nt s. T hi s m a y b e r e aliz e d at a f e w, w ell- s el e ct e d sit e s, e. g., i n s ei s mi c g a p s w h er e p arti ci p ati n g c e nt er s o p er at e o b s er v at ori e s. H o w e v er, b e c a u s e of t h eir r arit y, t h er e i s a ri s k t h at n o e v e nt will o c c ur at t h e s e sit e s d uri n g t h e P o F I V p eri o d. T h u s, w e will m o nit or m ulti pl e sit e s si m ult a n e o u sl y. T hi s i s p o s si bl e b e c a u s e gl o b al o b s er v ati o n s ar e n o w a c c e s si bl e b y o p e n d at a p oli ci e s or g a niz e d wit hi n fr a m e w or k s li k e t h e E ur o p e a n Pl at e O b s er vi n g S y st e m ( E P O S 1 0 7 ) or t h e E ur o p e a n S p a c e A g e n c y ( E S A) s at ellit e mi s si o n s of t h e C o p er ni c u s pr o gr a m. 1 0 8 A d v a n c e s i n d at a s ci e n c e will al s o l e a d t o i m pr o v e m e nt s i n t h e c a p a cit y f or d at a h a n dli n g a n d t h e a ut o d et e cti o n of r el e v a nt i nf or m ati o n. T h e n e w s e n s or s a n d pl atf or m s ( fi b er- o pti c c a bl e s, 1 0 9 gr a vi m et er s, mi cr o- s ei s m o m et er s) will all o w r a pi d d e pl o y m e nt fr o m v e s s el s- of- o p p ort u nit y. N o v el m ulti- p ar a m et er s o ur c e i n v er si o n m et h o d s will b e t e st e d at t h e pil ot sit e s a n d o n gl o b al s c al e s. R e ali sti c m ulti- h az ar d si m ul ati o n s i n pil ot r e gi o n s ( e. g., C hil e, Mt. Et n a 1 1 0 ) will b e d e v el o p e d a n d u s e d t o e sti m at e sit e e fi e ct s, i nfr a str u ct ur e d a m a g e a n d l o s s e s b a s e d o n e x p o s ur e a n d v ul n er a bilit y m o d el s (li n k wit h S T 3. 4). Fi n all y, cr o w d- s o ur c e d a p pr o a c h e s ( e. g., p e a k s i n t h e a c c e s s r at e s t o w e b sit e s, t w e et s wit h c ert ai n k e y w or d s) will b e i nt e gr at e d i nt o t h e d at a a n al y si s fr a m e w or k. 1 1 1 M o d eli n g f ut ur e e xtr e m e s b e y o n d p a st e v e nt s. B y c o m bi ni n g p h y si c s- b a s e d si m ul ati o n t o ol s wit h pr o b a bili sti c a n d d at a- mi ni n g a p pr o a c h e s, n e w o p p ort u niti e s f or u n d er st a n di n g t h e n at ur al pr o c e s s c h ai n s a n d ti p pi n g p oi nt s t h at c ul mi n at e i n e xtr e m e e v e nt s will b e d e v el o p e d. T h e s e si m ul ati o n s will b e i nt e gr at e d wit h v ul n er a bilit y a n d e x p o s ur e m o d el s a s p art of S T 3. 4 t o e sti m at e p ot e nti al d a m a g e s, l o s s e s, a n d f at aliti e s, i n cl u di n g t h e tr a n s p ar e nt c o m m u ni c ati o n of t h eir u n c ert ai nti e s. D eli v er a bl e s ( D) a n d Mil e st o n e s ( M) • • D 3. 5 ( 2 0 2 7): D e v el o p m e nt a n d fi el d t e sti n g of a c oll e cti o n s y st e m f or t h e o b s er v a bl e s r el at e d t o t h e o c- c urr e n c e of e xtr e m e e v e nt s. M 3. 5- 1 ( 2 0 2 4): T h e d e v el o p m e nt a n d d e pl o y m e nt of n e w s e n s or s s uit a bl e f or ur b a n e n vir o n m e nt s a n d i nt e gr at e d ur b a n f a ult / v ol c a n o o b s er v at ori e s. M 3. 5- 2 ( 2 0 2 4): T h e d e v el o p m e nt of t e c h ni q u e s f or t h e i n v er si o n of e art h q u a k e s o ur c e p ar a m et er s fr o m gr a vit y c h a n g e s m e a s ur e d b y t h e G R A C E- F O mi s si o n. M 3. 5- 3 ( 2 0 2 4): C o m pl eti o n of t h e f or e n si c a n al y si s of hi st ori c e v e nt s, f o c u si n g o n m a s si v e l a n d sli d e s, i d e ntif yi n g f a ult tr a c e s, t s u n a mi s, a n d e x pl o si v e v ol c a ni c er u pti o n s. M 3. 5- 4 ( 2 0 2 5): D e v el o p m e nt of a ut o m at e d m et h o d s f or c oll e cti n g a n d pr o c e s si n g i n sit u a n d s at ellit e- b a s e d d at a ( e. g., gl o b al v ol c a n o a n d s ei s mi c m o nit ori n g). D 3. 6 ( 2 0 2 7): T h e i d e nti ff c ati o n of t h e s p e ci fi c f a ct or s b e hi n d e xtr e m e a n d hi g h-i m p a ct e v e nt s. M 3. 6- 1 ( 2 0 2 3): T h e d e v el o p m e nt of r e ali sti c s c e n ari o s (i n cl u di n g u n c ert ai nti e s) t h at ar e c o m bi n e d wit h n u m eri c al t o ol s a n d w e b- b a s e d s er vi c e s f or t h e si m ul ati o n of si n gl e- a n d m ulti- h az ar d e v e nt s. M 3. 6- 2 ( 2 0 2 5): D e- v el o p m e nt of a n i nt e gr at e d m o nit ori n g a n d d at a a s si mil ati o n str at e g y t h at will r e d u c e t h e u n c ert ai nti e s of e xtr e m e e v e nt f or e c a st s. 1 0 7 S e e htt p s://w w w. e p o s-i p. or g /. 1 0 8 S e e htt p s://w w w. e s a.i nt / O ur _ A cti viti e s / O b s er vi n g _t h e _ E art h / C o p er ni c u s. 1 0 9 *J o u s s et P, et al. 2 0 1 8. D y n a mi c str ai n d et er mi n ati o n u si n g fi br e- o pti c c a bl e s all o w s i m a gi n g of s ei s m ol o gi c al a n d str u ct ur al f e a- t ur e s. N at ur e C o m m. 9: 2 5 0 9. 1 1 0 * Url a u b M, et al. 2 0 1 8. Gr a vit ati o n al c oll a p s e of M o u nt Et n a’ s s o ut h e a st er n fi a n k. S ci e n c e A d v a n c e s. 4( 1 0): e a at 9 7 0 0. 1 1 1 * St e e d R, et al. 2 0 1 9. Cr o w d s o ur ci n g tri g g er s r a pi d, r eli a bl e e art h q u a k e l o c ati o n s. S ci e n c e A d v a n c e s. 5( 4): e a a u 9 8 2 4. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 0 7

T o pi c 3: Li vi n g o n a R e stl e s s E art h: T o w ar d s F or e c a sti n g G e o h az ar d s er ati o n of d e c e ntr aliz e d e arl y w ar ni n g s y st e m s a d a pt e d t o i n d u str y a n d m o d er at e s ei s mi cit y ar e a s. M 3. 7- 4 ( 2 0 2 6): I m pl e m e nt a n e w m o d el t o f or e c a st t h e m a g n et o s p h eri c ri n g c urr e nt, r a di ati o n b elt s, a n d t h e K p-i n d e x. • D 3. 8 ( 2 0 2 7): Ti m e- d e p e n d e nt g e o h az ar d f or e c a st s t ar g et e d t o m o d er n ur b a n ri s k a s s e s s m e nt s. M 3. 8- 1 ( 2 0 2 2): D eli v er y of s ei s mi c z o n ati o n a n d v ol c a ni c h az ar d m a p s f or G er m a n y a d a pt e d t o criti c al f a ciliti e s d e si g n a n d r a di o a cti v e w a st e sit e s el e cti o n. M 3. 8- 2 ( 2 0 2 4): Gl o b al E art h q u a k e M o d el ( G E M, p h a s e 3) i m pl e m e nt e d, i n v ol vi n g a t e st a bl e, h ar m o niz e d, a n d ti m e- d e p e n d e nt s ei s mi c h az ar d a n d ri s k m o d el. E) Pr e vi o u s a c hi e v e m e nt s of t h e c o ntri b uti n g c e nt er s a n d i nfr a str u ct ur e E x p erti s e a n d pr eli mi n ar y w or k. A s t h e l ar g e st g e or e s e ar c h c e nt er i n E ur o p e, G F Z h a s d e v el o p e d a u ni q u e l e v el of e x p erti s e i n g e o h az ar d s. A k e y str e n gt h i s t h e e xt e n si v e r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e w hi c h i n cl u d e s a u ni q u e a s s e m bl a g e of l a b or at ori e s, l o n g-t er m o b s er v at ori e s, a n d i nf or m ati o n s er vi c e s b a s e d o n gl o b al n et w or k s ( e. g., G E O F O N), o p er at e d wit hi n t h e L KII i nfr a str u ct ur e M E SI a n d i s t h u s o p e n t o e xt er n al r e s e ar c h er s. F urt h er m or e, t h e G F Z i s i n v ol v e d i n E art h o b s er v ati o n mi s si o n s ( e. g., G R A C E- F O, S W A R M) a n d c o or di n at e s t h e I nt er n ati o n al S ci e nti fi c C o nti n e nt al Drilli n g Pr o gr a m I C D P. G F Z h a s a c o n c e ntr ati o n of g e o h az ar d e x p erti s e a n d i s l e a di n g i niti ati v e s at t h e r e gi o n al ( e. g., G e o. X, R e s e ar c h N et w or k f or G e o s ci e n c e s i n B erli n a n d P ot s d a m1 1 6 ), a n d n ati o n al l e v el s ( e. g., e art h q u a k e h az ar d m a p s f or b uil di n g c o d e s), a n d i s a m aj or c o ntri b ut or t o a cti o n s at t h e E ur o p e a n ( e. g., E P O S) a n d gl o b al s c al e s ( e. g., G E M1 1 7 ). F ut ur e d e v el o p m e nt s i n cl u d e a d v a n c e s i n r e m ot e s e n si n g t e c h n ol o g y a n d e n h a n ci n g it s c a p a cit y i n d at a s ci e n c e. G F Z i s a pri m e pl a y er i n e art h q u a k e a n d t s u n a mi e arl y w ar ni n g s y st e m s ( e. g., G er m a n I n d o n e si a n Ts u n a mi E arl y W ar ni n g S y st e m – GI T E W S 1 1 8 ). F urt h er m or e, G F Z attr a ct s i nt er n ati o n al s ci e nti st s a n d c oll a b or ati v e r e s e ar c h pr oj e ct s. I n a d diti o n, a n u m b er of s pi n- o fi c o m p a ni e s h a v e b e e n cr e at e d i n t h e s oli d E art h a n d g e o h az ar d s fi el d s. 1 1 9 G E O M A R i s w orl d-r e n o w n e d f or it s o b s er v ati o n al a n d t e c h n ol o gi c al s e a g oi n g c a p a biliti e s, w hi c h p er mit t h e i n v e sti g ati o n of t h e c a u s e s a n d n u cl e ati o n pr o c e s s e s of v ol c a ni c er u pti o n s, e art h q u a k e s, s e ct or c oll a p s e s, s u b m ari n e l a n d sli d e s, a n d t s u n a mi s i n t h e w orl d’ s o c e a n s a n d at t h e l a n d- s e a i nt erf a c e. T hi s r eli e s o n a br o a d p ortf oli o of s e a g oi n g i n str u m e nt ati o n r a n gi n g fr o m s e a ff o or- b a s e d t o t o w e d i n str u m e nt s, a ut o n o m o u s a n d r e m ot el y o p er at e d v e hi cl e s ( e. g., R O V s, A U V s, U A V s) a n d gli d er s ( e. g., p ot e nti al li n k wit h t h e a gr or o b oti c s i n T 7). G E O M A R h a s r e c e ntl y e st a bli s h e d a v ol c a n ol o gi c al U A V gr o u p t o c o m pl e m e nt o fi s h or e s ur v e y s at v ol c a ni c i sl a n d s a n d c o a st al v ol c a n o e s wit h s h all o w m ari n e a n d s u b a eri al i n v e sti g ati o n s. G E O M A R’ s o c e a n b ott o m s ei s m o m et er p o ol i s o n e of t h e l ar g e st i n E ur o p e. G E O M A R al s o o p er at e s t h e l ar g e st s e a fi o or g e o d eti c arr a y w orl d wi d e ( G e o S E A). U ni q u e n e s s. • • • • T h e c o m bi n ati o n of o b s er v ati o n al i nfr a str u ct ur e m a d e a v ail a bl e b y t h e p art n er s all o w s r e s e ar c h a cti viti e s t h at cr o s s t h e l a n d- s e a ( a n d s p a c e) i nt erf a c e ( s e e Fi g. 3. 7). G F Z a n d G E O M A R will t o g et h er c o nti n u e t o f oll o w a m ulti di s ci pli n ar y s y st e m s a p pr o a c h, i n v ol vi n g t h e i nt e gr ati o n of fi el d, l a b or at or y a n al yti c al a n d i n str u m e nt al o b s er v ati o n al c o m p et e n c e. T 3 s et s o ut t o bri d g e t h e di fi er e nt ti m e s c al e s b et w e e n t h o s e at w hi c h t h e d e e p- E art h pr o c e s s e s t h at c a u s e g e o h az ar d s o p er at e (t h e g e ol o gi c al ti m e s c al e) a n d t h o s e a s s o ci at e d wit h t h e e v e nt s t h e m s el v e s a n d t h eir aft er m at h ( h u m a n ti m e s c al e). T h e T o pi c’ s br e a dt h of e x p erti s e all o w s t h e f ull ri s k c h ai n t o b e h oli sti c all y e x pl or e d. T hi s i n cl u d e s a ti m e- d e p e n d e nt, m ulti- h az ar d p er s p e cti v e t h at r e c o g niz e s t h e n e e d f or ur b a n ri s k m o d el s t h at i n cl u d e i nfr a str u ct ur e c o v eri n g t h e l a n d, s e a, a n d n e ar- s p a c e e n vir o n m e nt s. 1 1 6 S e e htt p s://w w w. g e o- x. n et / e n /. 1 1 7 S e e htt p s://w w w. gl o b al q u a k e m o d el. or g /. 1 1 8 S e e htt p s://w w w. git e w s. or g / e n / h o m e p a g e /. 1 1 9 G e m p a G m b H, DI G O S, Q u a k e s a v er, D y n afr a x. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 0 9

T o pi c 3: Li vi n g o n a R e stl e s s E art h: T o w ar d s F or e c a sti n g G e o h az ar d s P art n er s. T h e p art n er s hi p will f oll o w a d e di c at e d str at e g y ( T a bl e 3. 1): i). T o a d dr e s s t h e gl o b al s c al e of t h e c h all e n g e s o utli n e d a b o v e, w e will c oll a b or at e wit h ot h er gl o b al S oli d E art h r e s e ar c h pl a y er s . ii) T h e d e v el- o p m e nt of u ni q u el y l ar g e a n d di v er s e d at a b a s e s will di ct at e o ur str at e g y t o i nt e gr at e i nt o o ur tr ai ni n g a cti viti e s t h e n e xt g e n er ati o n of c o m p ut er g e o s ci e nti st s b y c oll a b or ati o n wit h a c a d e mi a. iii) T h e p art n er s will b uil d u p o n a n d e x p a n d i n n o v ati v e tr a n sf er a cti viti e s b a s e d o n e xi sti n g i n v ol v e m e nt wit h pri v at e- p u bli c p art n er- s hi p s ( e. g., G E M), b uil di n g c o d e s st a n d ar d s c o m mitt e e s ( e. g., DI N), a n d ci vil pr ot e cti o n a g e n ci e s. i v) O ut- r e a c h, tr ai ni n g, a n d e d u c ati o n i n g e o h az ar d r el at e d i s s u e s will b e str e n gt h e n e d. S u c h a cti o n s will i n cr e a s e t h e a w ar e n e s s of t h e r el e v a nt i s s u e s a cr o s s a br o a d s p e ctr u m of t h e c o m m u nit y. P o siti o ni n g of t h e T o pi c i n i nt er n ati o n al r e s e ar c h. T 3’ s r e s e ar c h will c o ntri b ut e t o all pri orit y ar e a s of t h e S e n d ai Fr a m e w or k: i) u n d er st a n di n g di s a st er ri s k, ii) str e n gt h e ni n g g o v er n a n c e t o m a n a g e di s a st er ri s k, iii) I n v e sti n g i n di s a st er ri s k r e d u cti o n f or r e sili e n c e, a n d i v) e n h a n ci n g di s a st er pr e p ar e d n e s s f or e fi e cti v e r e s p o n s e. T 3’ s i n v ol v e m e nt wit h ot h er i nt er n ati o n al i niti ati v e s i n cl u d e G E M, G T M ( Gl o b al Ts u n a mi M o d el 1 2 2 ), I N- M H E WS (I nt er n ati o n al N et w or k f or M ulti- H az ar d E arl y W ar ni n g S y st e m 1 2 3 ), I C G /I O T W M S (I nt er g o v er n m e nt al C o or di n ati o n Gr o u p f or t h e I n di a n O c e a n Ts u n a mi W ar ni n g a n d Miti g ati o n S y st e m 1 2 4 ) a n d I C G / N E A M T W S (I nt er g o v er n m e nt al C o or di n ati o n Gr o u p f or t h e Ts u n a mi E arl y W ar ni n g a n d Miti g ati o n S y st e m i n t h e N ort h- e a st er n Atl a nti c, t h e M e dit err a n e a n a n d c o n n e ct e d s e a s 1 2 5 ). C o n si d eri n g t h e r a n g e of m et h o d s a n d e x p erti s e c o v er e d, t h e T o pi c p art n er s ar e w ell- p o siti o n e d f or l e a d er s hi p wit hi n t h e g e o h az ar d a n d ri s k r e s e ar c h c o m m u niti e s. S e v er al a s p e ct s of t h e S u bt o pi c s (tr a n si e nt s a n d ‘ pr e p ar at or y p h a s e s’, n e w ur b a n ri s k a s s e s s m e nt s, n o v el s e n s or s, a s w ell a s t h e f o c u s o n e xtr e m e, hi g h- T a bl e 3. 1: S u m m ar y of g e n er al r e c o m m e n d ati o n s (r e p e at e dl y) a d dr e s s e d i n t h e si x P o F III e v al u ati o n r e p ort s. K e y s p art n er s J oi nt e fi ort s A c a d e mi c p art n er s hi p ( N ati o n al) G er m a n a c a d e mi c c o n s orti u m at t h e i nt erf a c e b et w e e n d at a- s ci e n c e a n d g e o s ci e n c e s ( e. g., G e o. X a n d M A R d at a) N e w m et h o d s r el at e d t o d at a mi ni n g a n d di gitiz ati o n. Tr ai ni n g ( u n d er gr a d u at e a n d gr a d u at e st u d e nt s, f o c u s o n bi g d at a) A c a d e mi c p art n er s hi p (I nt er n ati o n al) I C D P, I O D P, E P O S ( E U-i nfr a str u ct ur e), i nt er n ati o n al c oll a b or ati o n s a s s o ci at e d wit h P B O s ( C hil e, T ur k e y, C a s c a di a, C e ntr al A si a) a n d v ol c a n o o b s er v at ori e s ( Et n a, It al y a n d t h e Eif el, G er m a n y) D e v el o p m e nt of pl at e b o u n d ar y a n d ur b a n f a ult o b s er v at ori e s Gl o b al m o nit ori n g of g e o h az ar d s I nt er n ati o n al d at a m a n a g e m e nt str at e gi e s Tr a n sf er ( P u bli c S e ct or) Di s a st er a n d E m er g e n c y M a n a g e m e nt A ut h orit y i n T ur k e y; Mi ni str y of E m er g e n c y Sit u ati o n s, Kyr g yz R e p u bli c; F e d er al o fi c e of Ci vil Pr ot e cti o n a n d Di s a st er A s si st a n c e, G er m a n y; DI N I nt er n ati o n al tr ai ni n g c o ur s e s (f o c u s o n e m er gi n g di s ci pli n ar y ff el d s a n d m et h o d s) O p er ati o n al miti g ati o n a n d e arl y w ar ni n g. C o m m u nit y a w ar e n e s s. K n o wl e d g e e x c h a n g e Tr a n sf er ( Pri v at e S e ct or) P u bli c- Pri v at e p art n er s hi p ( G E M); S pi n o fi s ( e. g., G e m p a); I nt er n ati o n al c o m p a ni e s ( D e ut s c h e R ű c k, E D F) S af e g u ar di n g f a ciliti e s a n d lif eli n e s. St a k e h ol d er a w ar e n e s s a n d tr ai ni n g. J o b cr e ati o n 1 2 2 1 2 3 1 2 4 1 2 5 S e e htt p s://e d a n y a. u m a. e s / gt m /. S e e htt p://w w w. w m o.i nt / p a g e s / pr o g / drr / d o c u m e nt s /I N- M H E W S /I N- M H E W S. ht ml. S e e htt p://w w w.i o c p ert h. or g /i ot w m s. S e e htt p://w w w.i o c-t s u n a mi. or g /i n d e x. p h p ? o pti o n = c o m _ c o nt e nt & vi e w = arti cl e &i d = 1 0 &It e mi d = 1 4. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 1 1

T o pi c 3: Li vi n g o n a R e stl e s s E art h: T o w ar d s F or e c a sti n g G e o h az ar d s • T 3’ s r e s e ar c h will r e s ult i n a u ni q u e s eri e s of s e a-l a n d- s p a c e i nt e gr at e d d at a s et s. S u c h d at a s et s, at t h e i nt er n ati o n al l e v el, will c o ntri b ut e t o t h e e x pl or ati o n of pr of o u n d s ci e nti fi c q u e sti o n s ( pl a n et ar y t e m p or al e v ol uti o n, pr e p ar ati o n p h a s e s of c at a str o p hi c e v e nt s, p o st- e v e nt r e c o v er y p h a s e of e art h m at eri al s) b y t h e br o a d er s ci e nti fi c c o m m u nit y. T hi s will n e c e s sit at e t h e cl o s e i nt er a cti o n s b et w e e n l a b or at or y, n u m eri c al, a n d fi el d a cti viti e s. E x e c uti v e S u m m ar y • • • T 3 will pr o vi d e a h oli sti c fr a m e w or k f or u n d er st a n di n g a n d f or e c a sti n g g e o h az ar d e v e nt s b y e m - pl o yi n g u ni q u e s e a-l a n d- s p a c e o b s er v ati o n fr a m e w or k s a n d i n n o v ati v e d e v el o p m e nt s i n m o d eli n g a n d d at a s ci e n c e, wit h a s p e ci al c o n c er n f or ur b a n e n vir o n m e nt s. T 3 will i n v e sti g at e t h e m ulti- s c al e c o u pli n g of S oli d E art h s y st e m pr o c e s s e s a n d a d dr e s s f u n d a m e nt al s ci e nti ff c q u e sti o n s ( e. g., t h e pr e p ar at or y p h a s e s of e xtr e m e e v e nt s, d y n a mi c i nt er a cti o n s s urr o u n di n g c a s c a d e pr o- c e s s e s). T h e T o pi c’ s o ut c o m e s will a d dr e s s n e w g e o h az ar d t hr e at s d u e t o cli m at e c h a n g e, ur b a n - iz ati o n, a n d t h e u s e of t h e n e ar s p a c e. T a ki n g a d v a nt a g e of n e w t e c h n ol o gi e s, T 3 will pr o vi d e t h e r a pi d, tr a n s p ar e nt, a n d r eli a bl e i nf or m ati o n e x p e ct e d b y t h e s ci e nti fi c c o m m u nit y, d e ci si o n- m a k- er s, a n d t h e g e n er al p u bli c. T 3 will pri m aril y c o ntri b ut e t o t h e Pr o gr a m o bj e cti v e s 4 ( u n d er st a n di n g t h e dri v er s of g e o h az ar d s), 5 ( miti g ati n g a g ai n st ur b a n ri s k s), 8 ( d e v el o p m e nt of s u st ai n a bl e o pti o n s f or n at ur al r e s o ur c e s), a n d 1 0 ( e n s uri n g t h e s u st ai n a bl e f ut ur e of h u m a n ki n d). T 3’ s m aj or c o ntri b uti o n t o t h e Pr o gr a m a s a w h ol e will b e t o u nit e a n d str e n gt h e n t h e e fi ort s of t h e r el e v a nt H el m h oltz c e nt er s. T hi s i s i n or d er t o pr o vi d e cr o s s- di s ci pli n ar y m et h o d ol o gi e s a n d t o ol s f or m o nit ori n g, a s s e s si n g, a n d c o m m u ni c ati n g k n o wl e d g e of t h e dri v er s a n d c o n s e q u e n c e s of g e o h az ar d s, fr o m fr e q u e nt l o w er i m p a ct e v e nt s t o t h o s e wit h p ot e nti all y gl o b al r e a c h. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 1 3

T o pi c 4: C o a st al Tr a n siti o n Z o n e s u n d er N at ur al a n d H u m a n Pr e s s ur e s y st e m t o t h e e ntir e c o a st al h a bit at, i n cl u di n g a nt hr o p o g e ni c i m p a ct s a n d s o ci et al n e e d s a cr o s s s p ati al s c al e s, w hil e c o n si d eri n g t h e p a st, pr e s e nt, a n d f ut ur e. T h e d e v el o p m e nt of p at h w a y s t o w ar d s t h e d e sir e d f ut ur e s i s i nt e n d e d t o i nf or m m ulti-l e v el d e ci si o n- a n d p ol - i c y m a ki n g i n t h e p u bli c a n d pri v at e s e ct or s. It will c o n si d er c o m m o n a n d gl o b al p oli c y b e n c h m ar k s, e. g., t h e I P C C s c e n ari o s f or a 1. 5 ° C or 2 ° C w ar m er w orl d. T hi s T o pi c cr e at e s t h e r e s e ar c h fr a m e w or k wit hi n w hi c h t h e p ot e nti al ri s k r e s ulti n g fr o m a cti o n s al o n g t h e p at h w a y s, i n cl u di n g c o n s e q u e n c e s f or m ari n e r e s o ur c e utiliz a - ti o n, o fi s h or e e n er g y pr o d u cti o n, m ari n e a q u a c ult ur e, a n d w at er q u alit y will b e c o n si d er e d. E x pl a n ati o n a n d j u sti fi c ati o n of r e s e ar c h. C o a st al a n d s h elf s e a s ar e f u n d a m e nt all y i m p ort a nt f or t h e s u st ai n - a bilit y a n d e n h a n c e m e nt of h u m a n w elf ar e a n d i n d u str y. It i s f or e c a st e d t h at b et w e e n 5 0 a n d 7 0 % of t h e p o p ul a - ti o n will b e li vi n g i n c o a st al ar e a s1 2 9 i n t h e n e xt 5 0 – 1 0 0 y e ar s, w hi c h cr e at e s c o m p eti n g d e m a n d s fr o m di fi er e nt s e ct or s o n s c ar c e c o a st al a n d s h elf s e a r e s o ur c e s. E x a m pl e s ar e: c o a st al ff s h eri e s a n d m ari n e a q u a c ult ur e a s a m ai n s o ur c e of pr ot ei n f or t hr e e billi o n p e o pl e; t o uri s m – t h e f a st e st gr o wi n g gl o b al i n d u str y – w hi c h h e a vil y d e - p e n d s o n h e alt h y c o a st al s y st e m s, pri sti n e e n vir o n m e nt s a n d m ariti m e i nfr a str u ct ur e; bi o di v er sit y of s p e ci e s a n d h a bit at s, w hi c h pr o vi d e s e s s e nti al e c o s y st e m s er vi c e s s u c h a s c ar b o n s e q u e str ati o n a n d u pt a k e, a n d c o ntri b ut e s t o h u m a n r e cr e ati o n. C o a st al s y st e m s ar e al s o a n i m p ort a nt r e s o ur c e f or r e n e w a bl e e n er gi e s a n d m ari n e mi ni n g. N ot a bl y, t h e hi g h bi o di v er sit y a n d u ni q u e e c o s y st e m s of c o a st al s y st e m s r e q uir e st u d y a n d pr ot e cti o n. T o a d dr e s s t h e s e c o m p eti n g d e m a n d s i n t h e li g ht of gl o b al a n d cli m at e c h a n g e, a n d i n or d er t o c o ntri b ut e t o t h e d e v el o p m e nt of m a n a g e m e nt s ol uti o n s, a s y st e m s a p pr o a c h i s a p pli e d i n T 4. O ur r e s e ar c h a cti viti e s will si g ni fi- c a ntl y e n h a n c e t h e u n d er st a n di n g of t h e c o a st al tr a n siti o n z o n e a s a s y st e m a n d will i d e ntif y w hi c h pr o c e s s e s s o ci et y c a n i n fi u e n c e or e v e n g o v er n i n c o a st al z o n e s. T hi s pr o vi d e s t h e b a si s f or cli m at e c h a n g e miti g ati o n a n d ri s k r e d u cti o n. It al s o all o w s t h e i d e nti fi c ati o n of t h o s e c o n s e q u e n c e s of gl o b al a n d cli m at e c h a n g e t h at eit h er c a n n ot, or ar e u nli k el y t o, b e miti g at e d. T hi s pr o vi d e s g ui d a n c e o n w h er e a n d h o w s o ci et y m u st a d a pt. Str at e gi c g ui d eli n e s ( F o P o Z). T 4 w or k s t o w ar d s str e n gt h e ni n g t h e m a n a g e m e nt of s u st ai n a bl e a n d r e sili e nt c o a st al tr a n siti o n z o n e s i n cl u di n g ur b a n s p a c e s, s h elf a n d c o a st al s e a s a s w ell a s s m all i sl a n d s i n a w ar m er cli m at e a n d u n d er gl o b al a n d r e gi o n al c h a n g e. It u n d er pi n s e fi e cti v e m a n a g e m e nt wit h r e s e ar c h l e a di n g t o s u s - t ai n a bl e a n d h a bit a bl e c o a st s b y 2 0 5 0 a n d e x pli citl y tr a n sf er s c o n c e pt s a n d m et h o d s t o s o ci et al a n d i n stit uti o n al st a k e h ol d er s. F or t hi s p ur p o s e, T 4 will p u s h t h e d e v el o p m e nt a n d i nt e gr ati o n of o b s er v ati o n s a n d d at a i nfr a str u c - t ur e s ( s u c h a s C O S Y N A, M O S E S, D A N U BI U S- RI wit h H C D C a n d N F DI) a c c e s si bl e f or s ci e nti fl c a n d s o ci et al u s er s ( e. g., D A M, B S H, N W K L N). R e s e ar c h pr o d u ct s e x p e ct e d fr o m T 4 i n cl u d e a c o a st al p oll uti o n t o ol b o x i n S u bt o pi c 4. 1 ( S T 4. 1), e xt e n d e d c o a st D at r e gi o n al cli m at e r e c o n str u cti o n s i n S u bt o pi c 4. 2 ( S T 4. 2), a n d n e w cli m at e s er - vi c e pr ot ot y p e pr o d u ct s d e v el o p e d j oi ntl y t hr o u g h i nt er a cti o n wit h s o ci et al st a k e h ol d er s i n S u bt o pi c 4. 3 ( S T 4. 3). C o n s e q u e ntl y, T 4 o bj e cti v e s ar e hi g hl y ali g n e d wit h t h o s e of M A R E: N, f or e x a m pl e, m att er ff u x e s fr o m c at c h m e nt t o s e a, c h a n g e d r e s p o n s e ti m e s tri g g er e d b y a nt hr o p o g e ni c i n p ut s, a n d i nt e gr at e d s ol uti o n s f or c o a st al u s e c o n fii ct s. T 4 will ( c o-) d e v el o p a n d tr a n sf er i nf or m ati o n a n d s er vi c e s t h at will s u p p ort s ol uti o n s ai m e d at str e n gt h - e ni n g t h e r e sili e n c e of c o a st al s y st e m s, i n cl u di n g a cti viti e s i n S y n C o m, R E K LI M a n d i nt er n ati o n all y i n t h e I P B E S a n d I P C C c o nt e xt. I n t hi s r e s p e ct, str o n g c o n n e cti o n s e xi st a n d will b e f urt h er d e v el o p e d t o s u p p ort s ci e n c e, e d u c ati o n, a n d s er vi c e s i n i nt er n ati o n al n et w or k s s u c h a s P O G O, I O C, S A S S C A L a n d W A S C A L i n Afri c a a n d ot h er d e v el o pi n g N ati o n s. T o g et h er wit h T 6, T 4 will t a c kl e bi o di v er sit y r e s e ar c h li n ki n g t o t h e n e w B M B F ff a g s hi p i niti a - ti v e ‘ C o n s er v ati o n of Bi o di v er sit y’, wit h a f o c u s o n r e c or di n g a n d a s s e s si n g t h e e xt e nt, c a u s e s, c o n s e q u e n c e s a n d i nt er a cti o n s of c h a n g e s of bi ol o gi c al di v er sit y a n d t h eir pr ot e cti o n i n t h e tr a n siti o n al ar e a b et w e e n l a n d a n d s e a. F u n cti o n a n d c o ntri b uti o n of t h e T o pi c wit hi n t h e Pr o gr a m. I nt e gr ati n g di fl er e nt m o d eli n g a cti viti e s a n d o b s er v ati o n s wit h a s p e ci fi c f o c u s o n c o u pli n g E art h s y st e m c o m p art m e nt s, i n cl u di n g a bi oti c a n d bi oti c c o m - p o n e nt s of t h e c o a st al e c o s y st e m, c o ntri b ut e s t o t h e o v er all H el m h oltz c o m p et e n c e a n d c a p a cit y i n E art h s y st e m r e s e ar c h. T o a c hi e v e it s a m biti o u s g o al s, T 4 t a k e s o n a s p e ci fi c c o a st al p er s p e cti v e a n d c oll a b or at e s cl o s el y wit h T 1, T 2, T 5, T 6, T 7 a n d T 9. It i s e n g a g e d i n C A R F s a n d C T A s a n d c o ntri b ut e s t o s e v er al s ci e nti fi c Pr o gr a m o bj e cti v e s t o f o st er t h e Pr o gr a m’ s E art h s y st e m a p pr o a c h t hr o u g h it s e x p erti s e i n c o a st al s y st e m s. Hi g h-r e s ol uti o n at m o s p h eri c m o d eli n g of l o c al cli m at e c h a n g e s will b e j oi ntl y d e v el o p e d wit h T 1. A c oll a b or a - ti o n wit h T 2 b u n dl e s s e a l e v el r e s e ar c h a n d o c e a n w ar mi n g. T o g et h er wit h T 2 a n d T 6, t h e i m p ort a n c e of o c e a n 1 2 9 U N E P 2 0 1 6. U N E P Fr o nti er s 2 0 1 6 R e p ort: E m er gi n g I s s u e s of E n vir o n m e nt al C o n c er n. U nit e d N ati o n s E n vir o n m e nt Pr o gr a m m e, N air o bi. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 1 5

T o pi c 4: C o a st al Tr a n siti o n Z o n e s u n d er N at ur al a n d H u m a n Pr e s s ur e • O bj e cti v e 6: E st a bli s h s c e n ari o s f or s u st ai n a bl e d e v el o p m e nt of c o a st al s y st e m s c o n si d eri n g cli m ati c a n d n o n- cli m ati c c h a n g e s a n d a s s e s s t h eir i m pli c ati o n s, i n cl u di n g a f o c u s o n t h e i n cr e a si n g ur b a niz ati o n of c o a st al r e gi o n s a n d t h eir e c o s y st e m s ( e. g., t o a d a pt c o a st al citi e s t o gl o b al w ar mi n g of 1. 5 ° C, 2 ° C or 3 ° C). Str u ct ur al O bj e cti v e s. • • • • O bj e cti v e 7: D e v el o p c u m ul ati v e s o ci al- e c ol o gi c al i m p a ct a s s e s s m e nt s f or m ulti- u s e c o n c e pt s t o s u p p ort t h e s u st ai n a bl e u s e of c o a st al s p a c e s. O bj e cti v e 8: C o n n e ct s ci e n c e t o s o ci et y t hr o u g h tr a n s di s ci pli n ar y a n d c o m m u ni c ati o n a p pr o a c h e s s u c h a s i n n o v ati v e st a k e h ol d er di al o g u e s a n d s u p p ort s o ci et al tr a n sf or m ati o n u si n g cli m at e s er vi c e s a s a bl u e pri nt. O bj e cti v e 9: D e v el o p a m o d ul ar c o a st al m a n a g e m e nt t o ol kit, i n cl u di n g t h e p oll uti o n t o ol b o x, i nt e gr at e d m o d eli n g, d at a i nfr a str u ct ur e s, a n d g o v er n a n c e c o n c e pt s. O bj e cti v e 1 0: D e v el o p a str at e g y t o w ar d s t h e e st a bli s h m e nt of a virt u al C e nt er of E x c ell e n c e f or Cli m at e a n d C o a st al S er vi c e s. C) Str u ct ur e of t h e T o pi c a n d m oti v ati o n of S u bt o pi c s I ntr o d u cti o n of S u bt o pi c s. T 4 i s or g a niz e d i n t hr e e i nt er c o n n e ct e d S u bt o pi c s. I n S T 4. 1, w e li n k c o a st al s y st e m s t o ri v er c at c h m e nt s, at m o s p h eri c a n d o c e a n d y n a mi c s, p arti c ul arl y f o c u si n g o n t h e tr a n s p ort, t ur n o v er, i n p ut, a n d e x c h a n g e of e n er g y a n d m att er. S T 4. 2 b uil d s t h e k n o wl e d g e b a s e o n v ari a bilit y a n d c h a n g e of m ulti pl e n at ur al a n d a nt hr o p o g e ni c dri v er s a n d t h eir i m p a ct o n c o a st al e c o s y st e m s. S T 4. 3 a d v a n c e s t h e r el ati o n s hi p b et w e e n s o ci al a n d n at ur al s ci e n c e s n e c e s s ar y t o e n a bl e m ulti s c al e tr a n sf or m ati v e g o v er n a n c e, i n n o v ati v e m a n a g e m e nt str at e gi e s, cli m at e a d a pt ati o n, a n d s u st ai n a bl e u s e of o c e a n a n d c o a st al r e s o ur c e s. T h e S u bt o pi c s ar e ali g n e d al o n g t h e l o gi c al pr o gr e s si o n of u n d er st a n di n g t h e p h y si c al / bi o g e o c h e mi c al pr o c e s s e s a n d e c o s y st e m s, vi a t h e i n fi u e n c e of cli m at e c h a n g e a n d h u m a n a cti viti e s o n t h eir tr aj e ct ori e s, t o t h e a cti o n s r e q uir e d t o a c hi e v e s o ci e- t al tr a n sf or m ati o n t o w ar d s s u st ai n a bilit y. All S u bt o pi c s c o ntri b ut e t o t h e m o d ul ar c o a st al m a n a g e m e nt t o ol kit. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. Fi g. 4. 1: 1 Gr a p hi c al s c h e m e of T o pi c 4: a s y st e m s a p pr o a c h. 1 1 7

T o pi c 4: C o a st al Tr a n siti o n Z o n e s u n d er N at ur al a n d H u m a n Pr e s s ur e O b s er v e d w ar mi n g ( ° C) 2 0 0 7 – 2 0 1 6 v s. 1 9 5 1 – 1 9 8 0 C u m ul ati v e h u m a n i m p a ct o n t h e o c e a n Fi g. 4. 2: P ol ar cli m at e c h a n g e 1 3 0, 1 3 1 a n d c u m ul ati v e h u m a n i m p a ct 1 3 2 o n t h e o c e a n ar e t h e t w o d o mi n a nt, s p ati all y- di s p ar at e dri v er s of e n er g y a n d m att er fi u x e s i n c o a st al z o n e s | gr a p hi c: H Z G / Ulri k e Kl e e b er g. • • • Q u a ntif y t h e c o a st al o c e a n’ s c o ntri b uti o n t o gl o b al c ar b o n, n utri e nt a n d tr a c e el e m e nt b u d g et s i n r e s p o n s e t o r e gi o n al cli m at e c h a n g e, h u m a n a cti viti e s i n t h e c at c h m e nt s a n d c o a st al z o n e, a n d i nt er a cti o n wit h t h e a dj a c e nt o c e a n. I n cr e a s e a n d e n h a n c e s y n o pti c r e gi o n al E art h o b s er v ati o n a n d m o d eli n g c a p a cit y t o tr a c k c h a n g e. I d e ntif y p oll uti o n ori gi n, tr a n s p ort p at h s, a n d di s p er s al fr o m s o ur c e t o si n k, a n d e v al u at e t h e e fi e ct s of c o m pl e x e x p o siti o n t o p oll ut a nt mi xt ur e s o n or g a ni s m s a n d e c o s y st e m s. D e v el o p a n a d a pti v e c o a st al p oll uti o n t o ol b o x f or p oll uti o n m a n a g e m e nt. U n d er st a n d a n d q u a ntif y f u n d a m e nt al t ur b ul e nt a n d s u b- m e s o s c al e pr o c e s s e s a n d t h eir li n k s t o bi o- g e o c h e mi c al a n d bi ol o gi c al r e s p o n s e s. 1 3 3 P arti c ul ar f o c u s i s d e v ot e d t o mi xi n g a n d e n er g y e x c h a n g e a cr o s s s u b- m e s o s c al e fr o nt s, n arr o w str ait s a n d t h e s e a s urf a c e at di fi er e nt wi n d s p e e d s, a s w ell a s t h eir c o n n e cti o n t o pri m ar y pr o d u cti vit y a n d t h e di stri b uti o n of or g a ni s m s. W or k pr o gr a m. Fi el d w or k a n d m o d eli n g t o w ar d s t h e fir st t w o o bj e cti v e s will f o c u s o n i d e ntif yi n g t h e m ai n s o ur c e s of n utri e nt s, c ar b o n, tr a c e el e m e nt s, a n d p oll ut a nt s at s e a s o n al t o a n n u al ti m e s c al e s f or s el e ct - e d c at c h m e nt-t o- o c e a n c o nti n u a, s u c h a s t h e tr a n s p ort of n utri e nt s fr o m t h e El b e c at c h m e nt i nt o t h e e st u ar y, G er m a n Bi g ht, W a d d e n S e a a n d N ort h S e a (li n k t o T 2 a n d T 6). T h e tr a n s p ort a n d r e a cti o n p at h w a y s a n d ff u x e s b et w e e n l a n d, c o a st al s e a, a n d at m o s p h er e will b e q u a nti fi e d. A k e y d eli v er a bl e will b e t o d e v el o p a tr a n si e nt c o u pl e d b e nt hi c- p el a gi c m o d ul e t o b e i n c or p or at e d i n st at e- of-t h e- art r e gi o n al E art h s y s - t e m m o d el s t o a s s e s s a n d q u a ntif y ( bi o) g e o c h e mi c al pr o c e s s e s a n d el e m e nt fi u x e s wit hi n a n d a cr o s s t h e c o a st al b e nt hi c a n d p el a gi c a n d s e di m e nt c o m p art m e nt s a n d t o r e v e al t h eir e c o s y st e m f e e d b a c k s. I n f o c u s ar e c o a st al s e di m e nt s t h at ar e cr u ci al sit e s f or r e g ul ati n g gr e e n h o u s e g a s e s b y a cti n g a s si n k s, s o ur c e s, or r e a ct or s f or c ar b o n, n utri e nt s a n d tr a c e el e m e nt s. T h e y i n cl u d e p er m e a bl e s a n d s t h at c o v er m or e t h a n 5 0 % of t h e s h elf ar e a a n d ar e k e y r e a cti o n sit e s miti g ati n g a nt hr o p o g e ni c c ar b o n a n d nitr o g e n i n p ut s.1 3 4 T h e y ar e al s o d e p o- c e nt er s of fi n e- gr ai n e d s e di m e nt s a n d t h u s h ot s p ot s of p a st a n d pr e s e nt c ar b o n b uri al a n d e x h u m ati o n. W e will a s s e s s w h et h er t hi s a n ci e nt or g a ni c m att er i s s u s c e pti bl e t o bi o g e o c h e mi c al pr o c e s si n g a n d e st a bli s h b u d g et s of c ar b o n b uri al a n d gr e e n h o u s e g a s ( C O 2 , C H4 ) r el e a s e fr o m n e ar- s h or e s e di m e nt s. P ol ar c o a st s ar e pri m e s o ur c e s of n utri e nt s, i n p arti c ul ar, ir o n, t o t h e a dj a c e nt o c e a n a n d dri v er s of t h e bi ol o gi c al c ar b o n p u m p. 1 3 5 T h e s p e ci fi c tr a n s p ort a n d r e a cti o n p at h w a y s of m a cr o- a n d mi cr o n utri e nt s – a n d s p e ci fl c all y t h eir r e s p o n s e t o o n g oi n g w ar mi n g – ar e n ot w ell c o n str ai n e d. W e will, t h er ef or e, d e v el o p a n d e st a bli s h i n n o v ati v e s a m pli n g a n d a n al yti c al t e c h ni q u e s a n d f a ciliti e s. T h e s e i n cl u d e tr a c e- m et al cl e a n s a m pli n g e q ui p m e nt f or w or k i n h ar s h p ol ar e n vir o n m e nt s, n o n-tr a diti o n al i s ot o p e s y st e m s ( e. g., F e, B), m ulti di s ci pli n ar y l a b e x p eri m e nt s 1 3 3 L év y M, Fr a n k s PJ S, S mit h K S. 2 0 1 8. T h e r ol e of s u b- m e s o s c al e c urr e nt s i n str u ct uri n g m ari n e e c o s y st e m s. N at C o m m u n. 9( 4 7 5 8): 1 – 1 6. 1 3 4 * A h m er k a m p S, Wi nt er C, Kr ä m er K, d e B e er D, J a n s s e n F, Fri e dri c h J, K u y p er s M M M, H olt a p p el s M. 2 0 1 7. R e g ul ati o n of b e nt hi c o x y g e n ff u x e s i n p er m e a bl e s e di m e nt s of t h e c o a st al o c e a n. Li m n ol. O c e a n o gr. 6 2: 1 9 3 5 – 1 9 5 4. 1 3 5 B o y d P W, Ell w o o d MJ. 2 0 1 0. T h e bi o g e o c h e mi c al c y cl e of ir o n i n t h e o c e a n. N at G e o s ci. 3: 6 7 5 – 6 8 2. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 1 9

T o pi c 4: C o a st al Tr a n siti o n Z o n e s u n d er N at ur al a n d H u m a n Pr e s s ur e T h e c o a st al p oll uti o n t o ol b o x tr a n sf er s c o n c e pt s of C A R F M A C E t o c o a st al e n vir o n m e nt s a n d e c o s y st e m s e x p o s e d t o hi g hl y c o m pl e x c h e mi c al mi xt ur e s ori gi n ati n g fr o m a l ar g e v ari et y of p oi nt a n d di fi u s e s o ur c e s ( Fi g. 4. 3). Fir st, it will b e d e v el o p e d f or t h e N ort h S e a, w h er e c o nti n e nt al s o ur c e s, e mi s si o n s, ri v er a n d at m o s p h eri c tr a n s p ort s, a n d t h e c h e mi c al st at u s of t h e c o a st al e n vir o n m e nt ar e r e a s o n a bl y w ell k n o w n. T h e c oll a b or ati o n wit h T 9 a n d M A C E tr a c k s p oll uti o n ( k n o w n a n d s u s p e ct e d, i n cl u di n g pl a sti c litt eri n g) fr o m t err e stri al t o m ari n e c o m p art m e nt s b y j oi ntl y pri oritizi n g s u b st a n c e cl a s s e s a n d e m piri c all y i d e ntif yi n g mi xt ur e s c h ar a ct eri sti c f or i n di vi d u al c at c h m e nt s a n d t h eir r e gi o n al at m o s p h er e. E mi s si o n s o ur c e s a n d s o ur c e e sti m at e s will b e i m pl e- m e nt e d a s a di git al atl a s / W e b GI S pr o d u ct, al o n g wit h d at a o n t ar g et s u b st a n c e c o n c e ntr ati o n s i n di fi er e nt c o a st al z o n e c o m p art m e nt s ( w at er, s e di m e nt, bi ot a). T hi s di git al atl a s ( c at al o g a n d i n v e nt or y) s er v e s a s a b a si s f or i d e ntif yi n g c o a st al p oll uti o n ori gi n a n d st at u s d e s cri pti o n, i n p arti c ul ar wit h r e s p e ct t o ( a s y et) n o n-r e g ul at- e d e m er gi n g c o nt a mi n a nt s. A s p ati all y e x pli cit m ulti- c o m p art m e nt m o d eli n g s y st e m f or pri oritiz e d p oll ut- a nt s will b e d e si g n e d t o pr e di ct t h eir c y cli n g b et w e e n l a n d, w at er, i c e, a n d at m o s p h er e, t o v erif y a n d e xt e n d li mit e d o b s er v ati o n s, a n d t o k e e p tr a c k of c h a n g e s i n s u b st a n c e di v er si fi c ati o n. It e nt ail s a n ‘i n- sili c o’ e v al u a- ti o n of n o v el c h e mi c al e ntiti e s (i n c o o p er ati o n wit h p art n er s i n S T 9. 3) f or t h eir p ut ati v e i m p a ct s o n or g a ni s m s. Aft er a pr o of of c o n c e pt p h a s e i n t h e N ort h S e a, t h e c o a st al p oll uti o n t o ol b o x will b e a d a pt e d t o c o a st al e n vi - r o n m e nt s a n d c at c h m e nt s i n E ur o p e, C hi n a , a n d i n t h e Ar cti c . T h e f o c u s i s i niti all y o n i n v e nt or yi n g p oll uti o n i n c at c h m e nt s, i c e, a n d bi ot a, p ar all el t o t h e d e v el o p m e nt of d at a b a s e s a n d m o d el s. T h e t o ol b o x a p pr o a c h e x pli citl y a c k n o wl e d g e s v ari o u s i nt e n siti e s a n d t y p e s of p oll uti o n, pr o c e s s e s of e mi s si o n s, tr a n s p ort, a n d i nt er - a cti o n s wit h e c o s y st e m s, i n cl u di n g t h e a c c el er ati n g r el e a s e of l e g a c y p oll ut a nt s fr o m m elti n g or t h a wi n g Ar cti c i c e a n d p er m afr o st. T h e e x p e ct e d o ut c o m e s h all gi v e g ui d a n c e f or r e g ul ati o n, m o nit ori n g, a n d a s s e s s m e nt s of p oll uti o n st at u s. It i s a st e p t o w ar d s a c o m p a ct t o gl o b al p oll uti o n, 1 3 7 s u p p ort s r e g ul at or y b o di e s wit h i nf or m a- ti o n o n t h e e n vir o n m e nt al str e s s a n d ri s k s cr e at e d b y ( n e w) p oll ut a nt s, a n d c h art s m o st e ff e cti v e m e a s ur e s t o t h eir r e d u cti o n. T h e e x c h a n g e of e n er g y b et w e e n o c e a n e d di e s, fr o nt s, a n d t ur b ul e n c e wit h l ar g e- s c al e c urr e nt s a n d t h eir i n fi u e n c e o n bi ol o gi c al pr o d u cti o n a n d c ar b o n e x p ort will b e i n v e sti g at e d wit h a n i nt e gr at e d hi g h-r e s ol uti o n o b- s er v ati o n al a n d m o d eli n g a p pr o a c h. F or t hi s p ur p o s e, n e xt- g e n er ati o n i n str u m e nt ati o n ( e. g., t o w e d-i n str u m e nt arr a y, i nt elli g e nt s w ar m of A U V s, air b or n e c a m er a s) will b e d e v el o p e d, all o wi n g f or r e al-ti m e d at a tr a n s mi s si o n a n d m e a s ur e m e nt s i n m ulti pl e d e pt h s a n d l o c ati o n s si m ult a n e o u sl y. T h e o b s er v ati o n s will b e m er g e d wit h h y - dr o st ati c a n d n o n- h y dr o st ati c m o d el s r e s ol vi n g t h e i nt er a cti o n of s m all- s c al e p h y si c al pr o c e s s e s a n d t h eir bi o - g e o c h e mi c al a n d bi ol o gi c al r e s p o n s e s. It i s t h e g o al t o d e v el o p p ar a m et eriz ati o n s f or l ar g e- s c al e p h y si c al a n d bi o g e o c h e mi c al o c e a n m o d el s. Of p arti c ul ar i nt er e st i s t h e i n fi u e n c e of ( s u b) m e s o s c al e fr o nt s a s t h e a s s o ci - at e d str o n g m oti o n s g o v er n ( p h yt o) pl a n kt o n a n d l ar v al di stri b uti o n / p at c hi n e s s, gr o wt h, c o m m u nit y str u ct ur e, a n d p o p ul ati o n c o n n e cti vit y. T h e a s s o ci at e d c o n v er g e n c e a n d d o w n w elli n g will b e i n v e sti g at e d wit h r e s p e ct t o a c c u m ul ati o n a n d e x p ort of or g a ni s m s a n d c ar b o n ( c oll a b or ati o n wit h C O S Y N A, T 6) a s w ell a s t h e di s p er- s al of fi o ati n g d e bri s ( e. g., pl a sti c) r el e v a nt f or m ari n e p oll uti o n. V erti c al t ur b ul e nt fi u x e s i n s h elf s e a s d uri n g st or m s will b e q u a nti fl e d t o i m pr o v e e sti m at e s of h e at a n d n utri e nt b u d g et s a n d t o a s s e s s t h e r e sili e n c e of c o a st al e c o s y st e m s t o cli m at e-r el at e d c h a n g e s i n st or m b e h a vi or. I n or d er t o b ett er u n d er st a n d o c e a n s urf a c e w a v e s a n d a s s o ci at e d t ur b ul e nt pr o c e s s e s a s a g at e w a y f or e n er g y, m o m e nt u m, a n d m a s s e x c h a n g e b et w e e n at m o s p h er e a n d o c e a n, n o v el m e a s ur e m e nt t e c h ni q u e s (r a d ar, p arti cl e i m a gi n g v el o ci m etr y) ar e d e v el o p e d t o c a pt ur e c o u pl e d wi n d- w a v e t ur b ul e nt d y n a mi c s o n s c al e s of milli m et er s t o m et er s. T h e y will b e c o m bi n e d wit h h e at a n d m a s s ( C O 2 , H2 O) ff u x m e a s ur e m e nt s t o i m pr o v e m o d el p ar a m et eriz ati o n s. D eli v er a bl e s ( D) a n d Mil e st o n e s ( M) • D 4. 1 ( 2 0 2 7): C o u pl e d s h elf- o c e a n m o d el s t o e sti m at e m att er fi u x e s a n d t h e c o ntri b uti o n of t h e c o a st al o c e a n t o gl o b al c ar b o n, n utri e nt, a n d ir o n b u d g et s a v ail a bl e. M 4. 1- 1 ( 2 0 2 4): M aj or pr o c e s s e s a n d e n vi- r o n m e nt al c o n diti o n s t h at c o ntr ol c ar b o n, n utri e nt, a n d ir o n t ur n o v er i n, a n d ff u x fr o m, di fl er e nt c o a st al s e di m e nt ar y h a bit at s /lit h ol o gi e s i d e nti fi e d. M 4. 1- 2 ( 2 0 2 5): R e gi o n al l a n d- s e a c ar b o n, n utri e nt, a n d ir o n fi u x e s a n d b u d g et s i n c o a st al s etti n g s s p a n ni n g gr a di e nt s i n cli m at e c h a n g e i m p a ct s a n d h u m a n f o ot pri nt f or Ar cti c, S o ut h er n O c e a n, E ur o p e a n s h elf s e a s ar e a s s e s s e d. M 4. 1- 3 ( 2 0 2 6): Tr a n si e nt b e nt hi c- o c e a n 1 3 7 U nit e d N ati o n s E n vir o n m e nt Pr o gr a m m e. 2 0 1 7. T o w ar d s a P oll uti o n- Fr e e Pl a n et B a c k gr o u n d R e p ort. U nit e d N ati o n s E n vir o n m e nt Pr o gr a m m e, N air o bi, K e n y a. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 2 1

T o pi c 4: C o a st al Tr a n siti o n Z o n e s u n d er N at ur al a n d H u m a n Pr e s s ur e m ulti pl e p h y si c al a n d bi ol o gi c al s c al e s, fr o m s hifti n g at m o s p h eri c c o n diti o n s, h y dr o gr a p hi c a n d m or p h o d y n a mi c c h a n g e s t o e c o s y st e m s a n d s p e ci e s c h a n g e s, t h e i nt er di s ci pli n ar y a p pr o a c h p ur s u e d i n t hi s S T i s cr u ci al. W e will f o c u s o n t h e e fi e ct s of m ulti pl e n at ur al a n d a nt hr o p o g e ni c dri v er s o n t h e f u n cti o ni n g of c o a st al e c o s y st e m s i n t e m p er at e a n d p ol ar c o a st al ar e a s. W e will i n p arti c ul ar u s e t h e l o n g-t er m k n o wl e d g e a c c u m ul at e d f or o ur ar e a s of f o ci a n d t h e i nf or m ati o n g at h er e d fr o m l o n g-t er m d at a a n d pr e vi o u s r e s e ar c h pr o gr a m s a s a f u n d a m e nt f or t h e e v al u ati o n of t h e e fi e ct s of f ut ur e c h a n g e. E c o s y st e m i m p a ct s will b e st u di e d at di fi er e nt l e v el s of c o m pl e xit y r a n gi n g fr o m wit hi n-i n di vi d u al s c al e s, u si n g a p pr o pri at e - o mi c a p pr o a c h e s, t o b et w e e n- s p e ci e s s c al e s ( e c ol o gi c al st oi c hi o m etr y, tr o p hi c i nt er a cti o n s, a n d bi o di v er sit y), t hr o u g h t o c o m pl et e e c o s y st e m s. M ai n o bj e cti v e s. T h e mi s si o n of S T 4. 2 i s t o pr o vi d e t h e k n o wl e d g e b a s e o n t h e i m p a ct s of n at ur al a n d a nt hr o - p o g e ni c dri v er s o n c o a st al s y st e m s, a d dr e s si n g t hr e e o bj e cti v e s: • • • T h e el u ci d a ti o n of v ari a bilit y a n d c h a n g e of di ff er e nt dri v er s o n a r e c e nt ti m e s c al e, t h e d o c u m e nt ati o n of c h a n g e u n d er v ar yi n g s c e n ari o s u p t o 2 1 0 0, a n d t h e i d e nti fi c ati o n of pr e di cti o n p ot e nti al. T h e q u a nti fi c ati o n of c u m ul ati v e a n d i nt er a cti v e i m p a ct s of dri v er s o n all l e v el s of e c o s y st e m or g a ni- z ati o n, fr o m e ntir e e c o s y st e m s t o s u b c ell ul ar a n d g e n eti c m a k e- u p of or g a ni s m s a n d t h e d e v el o p m e nt of c a p a citi e s t o f or e c a st t h e i m p a ct s of t h e s e dri v er s ( e. g., ti p pi n g p oi nt s). T h e i d e nti fi c ati o n of o p p ort u niti e s a n d ri s k s of h u m a n r e s o ur c e u s e i n c o a st al s y st e m s, t h e d e fi niti o n of s u st ai n a bl e u s e str at e gi e s, t h e tr a n sf er of k n o wl e d g e a n d t e c h n ol o g y t o s u p p ort t h e m a n a g e m e nt of c o a st al s y st e m s a n d t o e s p o u s e t h eir s u st ai n a bl e u s e ( S T 4. 3). W or k pr o gr a m. R e gi o n al cli m at e v ari ati o n s o n a m ultit u d e of ti m e s c al e s ar e str o n g dri v er s f or c o a st al s y s - t e m s a n d m o d ul at e, t o g et h er wit h dir e ct h u m a n i m p a ct s, c o a st al m ari n e e c o s y st e m str u ct ur e a n d pr o d u cti vit y. T h e a s s e s s m e nt of p a st, o n g oi n g a n d f ut ur e c o a st al cli m at e s i s b a s e d o n t hr e e a v e n u e s: t h e r e c o n str u cti o n a n d a n al y si s of p a st e n vir o n m e nt al c o n diti o n s o n m ulti- d e c a d al t o m ulti- c e nt e n ni al ti m e s c al e s, t h e d e v el o p- m e nt of s c e n ari o s f or p o s si bl e f ut ur e c h a n g e s u n d er c h a n gi n g cli m at e a n d a nt hr o p o g e ni c f or ci n g, a n d t h e i d e nti fl c ati o n of pr e di ct a bilit y p ot e nti al s o n s e a s o n al t o d e c a d al ti m e s c al e s. F o c u si n g o n t h e l a st t w o mill e n ni a, p a st cli m at e s will b e r e c o n str u ct e d b y u si n g a c o m bi n ati o n of pr o x y r e c or d s ( s e di m e nt s, tr e e s, c o a st al d u n e s, h u m a n ar c hi v e s) a n d r e gi o n al a n d gl o b al cli m at e- a n d p h y si c al- bi o g e o c h e m- i c al m o d el s1 3 8 (li n k t o C T A E S M) i n c o m bi n ati o n wit h s o p hi sti c at e d d at a s ci e n c e a n d arti ff ci al i nt elli g e n c e m et h o d s, i n cl u di n g m a c hi n e l e ar ni n g a n d d e e p l e ar ni n g (li n k t o H AI C U). I nt e gr ati n g m ulti- d e c a d al t o c e nt e n ni al r e c o n str u cti o n s will all o w a n a s s e s s m e nt of e xt er n al cli m at e f or ci n g i m p a ct s o n cli m at e v ari ati o n s o n r e gi o n al s c al e s. T hi s will pr o vi d e a n i n d e p e n d e nt d at a- b a s e d pr o d u ct t o a s s e s s cli m at e m o d el s’ p erf or m a n c e t o si m u - l at e r e gi o n al cli m at e c h a n g e s (li n k t o T 2) a n d will s u p p ort cli m at e pr oj e cti o n s a n d s e a s o n al t o d e c a d al cli m at e pr e di cti o n s t h at c a n b e u s e d t o a s s e s s f ut ur e cli m at e i m p a ct s o n c o a st al e c o s y st e m s. G e ol o gi c al r e c or d s t h at c o m pl e m e nt ti m e- s eri e s of m e a s ur e d e n vir o n m e nt al d at a will b e u s e d t o li n k p a st cli m at e s wit h bi ol o gi c al c o m m u niti e s, t h u s s u p pl e m e nti n g o ur c urr e nt k n o wl e d g e o n t h e v ari a bilit y a n d r e sili e n c e of k e y h a bit at s. W e will r e c o n str u ct t h e s e p al e o c o a st al h a bit at s u si n g p al e o- e c ol o gi c al a n d p al e o- e n vir o n m e nt al pr o xi e s (f or a mi n - if er a, di at o m s, st a bl e i s ot o p e s) fr o m s e di m e nt c or e s (li n k t o T 2 a n d T 5). A d v a n c e s i n a n ci e nt D N A r e s e ar c h o fi er t h e p o s si bilit y t o r etri e v e i nf or m ati o n o n c o m m u nit y a s s e m bl a g e s of t h e p a st. T h e r e c e nt bi ol o gi c al p a st will b e d e s cri b e d u si n g o ur u ni q u e l o n g-t er m d at a s eri e s a n d o ur k n o wl e d g e fr o m pr e vi o u s L T E R r e s e ar c h i n cl u di n g r ar e bi o di v er sit y d at a s et s, r a n gi n g b a c k 5 0 – 1 0 0 y e ar s i n E ur o p e a n w at er s 1 3 9 a n d 2 5 y e ar s i n p ol ar s y st e m s, s u p pl e m e nt e d b y m o d el- b a s e d r e gi o n al r e c o n str u cti o n s. W e will e m pl o y a c o m bi n ati o n of t a x o n o mi c a n d f u n cti o n al m etri c s t o c h ar a ct eriz e c h a n g e s i n bi o di v er sit y, i d e ntif y s hift s i n c o m m u nit y str u ct ur e, r el at e t h e s e t o e c o s y st e m f u n cti o ni n g, a n d li n k all of t h e s e t o n at ur al a n d a nt hr o p o g e ni c dri v er s. S hift s i n dri v er s a ff e ct t h e s p ati al di stri b uti o n of p o p ul ati o n s a n d m a y l e a d t o c h a n g e s i n k e y tr ait s, m e di at e d, f or e x a m pl e, b y s p e ci e s l e a vi n g or e nt eri n g a gi v e n s y st e m. 1 4 0 Alt er n ati v el y, s p e ci fl c e c o s y st e m 1 3 8 * G ó m ez- N a v arr o JJ, Z orit a E, R ai bl e C, N e u k o m R. 2 0 1 7. P s e u d o- pr o x y t e st s of t h e a n al o g u e m et h o d t o r e c o n str u ct s p ati all y r e s ol v e d gl o b al t e m p er at ur e d uri n g t h e C o m m o n Er a. Cli m P a st. 1 3( 6): 6 2 9 – 6 4 8. 1 3 9 * Wilt s hir e K H, B o er s m a M, C ar st e n s K, Kr a b er g A C, P et er s S, S c h arf e M. 2 0 1 5. C o ntr ol of p h yt o pl a n kt o n i n a s h elf s e a: D et er mi n a- ti o n of t h e m ai n dri v er s b a s e d o n t h e H el g ol a n d R o a d s Ti m e S eri e s. J S e a R e s. 1 0 5: 4 2 – 5 2. 1 4 0 * B u s c h b a u m C, C or n eli u s A, G o e d k n e gt M A. 2 0 1 6. D e e pl y hi d d e n i n si d e i ntr o d u c e d bi o g e ni c str u ct ur e s – P a ci fi c o y st er r e ef s r e d u c e d etri m e nt al b ar n a cl e o v er gr o wt h o n n ati v e bl u e m u s s el s. J S e a R e s. 1 1 7: 2 0 – 2 6. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 2 3

T o pi c 4: C o a st al Tr a n siti o n Z o n e s u n d er N at ur al a n d H u m a n Pr e s s ur e Fi g. 4. 4: G er m a n Bi g ht M ari n e S p ati al Pl a n ni n g a n d m ulti pl e u s e of c o a st al s p a c e s ( s o ur c e B S H a n d H Z G; htt p s: / / c o a st m a p. h z g. d e / c o a st m a p /t o ol s / c o a st m a p A P P /). wi n d f ar mi n g a n d m ari n e e n er g y pr o d u cti o n i n a h oli sti c a p pr o a c h i nt e gr ati n g p h y si c al, c h e mi c al a n d bi ol o g - i c al c h a n g e s a n d t h eir i nt er a cti o n o n v ari o u s s p ati al a n d t e m p or al s c al e s u si n g a d v a n c e d c o a st al m o d eli n g c a p a cit y, e x p eri m e nt s, a n d o b s er v ati o n s. I n m ari n e r e gi o n s g e n er all y d e v oi d of h ar d str u ct ur e s, t h e p ot e nti al e c ol o gi c al i m p ort a n c e of s u b- m ari n e str u ct ur e s i s v er y hi g h b ut p o orl y i n v e sti g at e d. H er e, w e will c o n c e ntr at e o n t h e e fi e ct s of a r a n g e of di fi er e nt bi o g e ni c a n d a nt hr o p o g e ni c str u ct ur e s a n d u s e o ur c o m bi n e d e x p erti s e t o a s s e s s t h eir i m p ort a n c e. T h e s e i n cl u d e o y st er b e d s i n t e m p er at e r e gi o n s, Ar cti c k el p f or e st s, a n d c ol d- w a- t er c or al r e ef s a s w ell a s t h o s e t h at h a v e b e e n i ntr o d u c e d b y h u m a n s, s u c h a s wi n d f ar m s, oil ri g s, or c o a st al ar m ori n g. W e will c o ntr a st t h e i m p a ct s of t h e s e h ar d, p er m a n e nt, str u ct ur e s wit h m or e e p h e m er al o n e s s u c h a s fr o nt s a n d e d di e s ( Li n k t o S T 4. 1). B y c o ntr a sti n g str u ct ur e s of di fi er e nt n at ur e a n d a g e a n d e m pl o yi n g s c e - n ari o m o d eli n g c o m bi ni n g f ut ur e s c e n ari o s f or cli m at e a n d a nt hr o p o g e ni c i m p a ct s, w e will b e a bl e t o e v al u at e t h e e ff e ct s of f ut ur e c h a n g e s i n o ur c o a st al s e a s, b ot h a s a r e s ult of o n g oi n g b uil di n g a n d r e-i ntr o d u cti o n s of r e ef- b uil di n g s p e ci e s s u c h a s t h e E ur o p e a n o y st er 1 4 4 i n t h e c o nt e xt of n at ur e c o n s er v ati o n a n d m ulti pl e u s e of t h e s e str u ct ur e s ( Li n k t o S T 4. 3). D eli v er a bl e s ( D) a n d Mil e st o n e s ( M) • • D 4. 4 ( 2 0 2 7): Hi g h-r e s ol uti o n r e c o n str u cti o n of r e gi o n al cli m at e a n d e c o s y st e m c h a n g e f or t h e l a st t w o mill e n ni a. M 4. 4- 1 ( 2 0 2 4): Hi g h-r e s ol uti o n r e c o n str u cti o n of p a st 7 0 ( 2 0 2 2) a n d 1 5 0 y e ar s ( 2 0 2 4) cli m at e f or t h e E ur o p e a n s h elf. M 4. 4- 2 ( 2 0 2 5): R e c o n str u cti o n of s p e ci e s a n d p o p ul ati o n c h a n g e s o n c e nt e n ni al ti m e s c al e s. M 4. 4- 3 ( 2 0 2 6): R e c o n str u cti o n of e c o s y st e m c h a n g e s f or t h e l a st t w o mill e n ni a f or k e y r e- gi o n s. D 4. 5 ( 2 0 2 7): C o a st al s e a l e v el i nf or m ati o n f or c o a st al z o n e m a n a g e m e nt f or n ort h w e st er n E ur o p e a n c o a st s a n d Ar cti c s h el v e s a n d s m all i sl a n d s. M 4. 5- 1 ( 2 0 2 4): L o c al s c e n ari o s f or s e a l e v el c h a n g e o n 3 0, 1 4 4 * P o g o d a B. 2 0 1 9. C urr e nt St at u s of E ur o p e a n O y st er D e cli n e a n d R e st or ati o n i n G er m a n y. H u m a niti e s. 8( 9): 1 – 1 2. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 2 5

T o pi c 4: C o a st al Tr a n siti o n Z o n e s u n d er N at ur al a n d H u m a n Pr e s s ur e gr e e n e c o n o m y pri n ci pl e s), i n a s af e o p er ati n g s p a c e w h er e p e o pl e a n d c o a st al e c o s y st e m s c a n pr o s p er ? 1 4 5 H o w d o h u m a n c o m m u niti e s tr a n siti o n fr o m c o pi n g t o t hri vi n g, gi v e n t h e t hr e at s a n d o p p ort u niti e s a s s o ci at e d wit h e n vir o n m e nt al a n d cli m at e c h a n g e ? S T 4. 3, t h er ef or e, pr o p o s e s f o ur o bj e cti v e s: • • • • E x p l or e h u m a n i nt er a cti o n s wit h e n vir o n m e nt al g o o d s a n d s er vi c e s of c o a st al a n d m ari n e e c o s y st e m s i n or d er t o d e v el o p m a n a g e m e nt str at e gi e s i n c o m bi n ati o n wit h n e w s ol uti o n s f or c o n s er v ati o n, a n d s u st ai n - a bl e c o a st al a n d m ari n e r e s o ur c e u s e. D e v el o p str at e gi e s t o e n h a n c e s u st ai n a bl e c o a st al a n d m ari n e r e s o ur c e u s e a n d m a n a g e m e nt, b y dr a wi n g o n t e c h n ol o gi c al, bi ol o gi c al, s o ci o- e c o n o mi c a p pr o a c h e s ( c o m pli a nt wit h t h e st a n d ar d s of t h e F o o d a n d A gri c ult ur e Or g a niz ati o n of t h e U nit e d N ati o n s, F A O) w hil e f oll o wi n g g ui di n g pri n ci pl e s f or t h e pr ot e cti o n of c o a st al a n d m ari n e h a bit at s a n d s p e ci e s. E st a bli s h c o a st al ur b a n o b s er v at ori e s a n d d e v el o p e x p eri m e nt al a p pr o a c h e s t o tr a n sf er s ci e nti fi c k n o wl - e d g e t o s o ci et y. D e si g n a n d e st a bli s h i n n o v ati v e t o ol s a n d t o ol kit s, m et h o d s, s er vi c e s a p pr o a c h e s, a n d tr a n s- a n d i nt er - di s ci pli n ar y pr o c e s s e s t h at c a n f a cilit at e a n d g ui d e b ot h i n cr e m e nt al a n d tr a n sf or m ati v e a d a pt ati o n ( a n d miti g ati o n) of c o a st al ar e a s a n d i n p arti c ul ar c o a st al citi e s. W or k pr o gr a m. T h e w or k pr o gr a m e n a bl e s u s t o w or k o n t h e c o a st al s y st e m b ut al s o o n it s c o m p o n e nt s ( Fi g. 4. 5 1 4 6). C o a st al a n d s h elf s e a s y st e m s pr o vi d e g o o d s a n d s er vi c e s, w hi c h b e n e fit s o ci et y, b ut t h e c urr e nt u s e- p at- t er n s ( e. g., fi s h eri e s, t o uri s m, e n er g y) ar e oft e n d e- c o u pl e d fr o m c o n s er v ati o n t ar g et s. T h er ef or e, s ci e nti ff c e c o s y st e m a p pr o a c h e s ar e e s s e nti al, w hi c h i n cl u d e c o m pr e h e n si v e st u di e s o n e c ol o gi c al, e c o n o mi c, a n d s o - ci al n e e d s f or s u st ai n a bl e r e s o ur c e- u s e. T hi s will b e d o n e i n c oll a b or ati o n wit h k e y s o ci et al a ct or s, i n or d er t o fill i nf or m ati o n g a p s, r e s p o n d t o o p p ort u niti e s, a n d a d dr e s s s o ci et al c h all e n g e s. I n n o v ati v e m a n a g e m e nt str at - e gi e s will b e c o m bi n e d wit h n e w, e c o s y st e m-fri e n dl y t e c h n ol o g y a p pr o a c h e s t o r e d u c e t h e e c ol o gi c al f o ot pri nt of h u m a n i nt er v e nti o n s. At t h e s a m e ti m e, t h o s e a p pr o a c h e s will h el p t o b uil d cli m at e-r e sili e nt c o a st al ar e a s. N e wl y d e v el o p e d str at e gi e s a n d t e c h n ol o gi e s r e a c h st a k e h ol d er s t hr o u g h e fi ci e nt k n o wl e d g e a n d t e c h n ol o g y tr a n sf er, i n cl u di n g ot h er a p pli e d a n d f u n d a m e nt al fi el d s. Fi g. 4. 5: C o a st al s y st e m a n d it s c o m p o n e nt s fr o m S c h ultz- Z e h d e n et al. 2 0 1 8. 1 4 6 1 4 5 N a s h K L, C vit a n o vi c C, F ult o n E A, H al p er n, B S, Mil n er- G ull a n d EJ, W at s o n R A, Bl a n c h ar d J L. 2 0 1 7. Pl a n et ar y b o u n d ari e s f or a bl u e pl a n et. N at E c ol E v ol. 1: 1 6 2 5 – 1 6 3 4. 1 4 6 * S c h ultz- Z e h d e n A, L u ki c I, O n w o n a A n s o n g J, Alt v at er S, B a ml ett R, B ar b a nti A, B o c ci M, B u c k B H, C al a d o H, V ar o n a M C, et al. 2 0 1 8. O c e a n M ulti- U s e A cti o n Pl a n, M U S E S pr oj e ct. E di n b ur g h ( G B). 1 3 2 p. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 2 7

T o pi c 4: C o a st al Tr a n siti o n Z o n e s u n d er N at ur al a n d H u m a n Pr e s s ur e n e e d s of t h e pri v at e s e ct or ( m ari n e a q u a c ult ur e, w at er, e n er g y, t o uri s m, et c.) a n d c o a st al i nfr a str u ct ur e pl a n - ni n g. T h e d e si g n of ‘ c o a st al t o ol kit s’ i n c or p or at e s k n o wl e d g e fr o m S T 4. 1 ( c at c h m e nt pri oritiz ati o n s c h e m e s, p oll uti o n t o ol b o x, et c.) a n d S T 4. 2 ( s e a l e v el ri s e, e c o s y st e m m o d eli n g). A str at e g y t o w ar d s t h e e st a bli s h m e nt of a virt u al C e nt er of E x c ell e n c e f or Cli m at e a n d C o a st al S er vi c e s will b e d e v el o p e d. S u c h a c e nt er f o st er s l o n g- t er m c o o p er ati o n t o s y nt h e siz e s ci e nti fi c o ut p ut s, t o c o- d e v el o p s ol uti o n s, a n d t o i n cr e a s e s o ci et al i m p a ct. Cli m at e s er vi c e s will b e d e v el o p e d t o b e c o m e ‘tr a n sf or m ati o n al’ gi v e n t h e a p pr o a c hi n g 1. 5 ° C gl o b al w ar m - i n g.1 5 3 T h e c o n v er g e n c e of cli m at e a cti o n ( a d a pt ati o n a n d miti g ati o n), di s a st er ri s k r e d u cti o n a n d s u st ai n a bl e d e v el o p m e nt ar e k e y f or o v er c o mi n g s o ci et al b arri er s a n d t o cr e at e c o n diti o n s t o li mit gl o b al w ar mi n g. S T 4. 3 will s u p p ort cli m at e a d a pt ati o n p oli c y ( e. g., U N F C C C N ati o n al A d a pt ati o n Pl a n s) b y d e v el o pi n g cli m at e s er vi c e s f or n ati o n al, s u b- n ati o n al a n d l o c al c o a st al a d a pt ati o n. C o a st al Li vi n g L a b or at ori e s 1 5 4 ,1 5 5 i n cl u di n g t h e W a d d e n S e a ar e pr o p o s e d i n S T 4. 3 a s ‘t e st- b e d s’ f or s o ci al a n d t e c h n ol o gi c al i n n o v ati o n. T h e s e will b e d e v el - o p e d al o n g s e ct or al a x e s ( a q u a c ult ur e, e n er g y, w at er, pl a n ni n g) a n d i n ar e a- b a s e d m a n a g e m e nt a p pr o a c h e s ( m ari n e s p ati al pl a n ni n g, i nt e gr at e d c o a st al m a n a g e m e nt, a n d M P A s). H er e t h e k n o wl e d g e fr o m l o n g-t er m st u di e s a n d pr e vi o u s pr oj e ct s will b e i nt e gr at e d wit h n e w o c e a n- cli m at e d at a i n t o t h e e v al u ati o n s o n c o a st al cli m at e- c h a n g e a d a pt ati o n a n d cli m at e- s m art m a n a g e m e nt of c o a st al ar e a s f or t h e st at e of c o a st s i n 2 0 5 0. Cli m at e s er vi c e s will b e f urt h er a d v a n c e d b y a p pl yi n g n o v el d at a s ci e n c e f or d at a e x pl or ati o n . B y u si n g t o ol s s u c h a s m a c hi n e a n d d e e p l e ar ni n g m et h o d s a n d virt u al r e alit y t e c h n ol o gi e s, w e will g e n er at e s p ati all y e x pli cit, a cti o n a bl e i nf or m ati o n t o s u p p ort c o a st al g o v er n a n c e pl a n ni n g, m a n a g e m e nt, a n d cli m at e a d a pt ati o n str at e gi e s. Fi n all y, t h e ‘ s er vi c e s a p pr o a c h’ i s i n h er e ntl y tr a n s- a n d i nt er di s ci pli n ar y. T h e e x p eri e n c e s wit h p ar- ti ci p at or y m o d eli n g, st a k e h ol d er e n g a g e m e nt, a n d c o- cr e ati o n 1 5 6 ar e pr o d u ci n g m a n y e x a m pl e s of g o o d pr a cti c e s t o s u p p ort s ci e n c e- b a s e d p oli ci e s. T h e S T will a p pl y tr a n s di s ci pli n ar y r e s e ar c h a p pr o a c h e s a n d will f urt h er d e v el o p e v al u ati o n s c h e m e s f or cli m at e s er vi c e s. D eli v er a bl e s ( D) a n d Mil e st o n e s ( M) • • • D 4. 8 ( 2 0 2 7): Pr ot ot y p e d e ci si o n- s u p p ort t o ol f or d e v el o pi n g m ulti- u s e s c e n ari o s e st a bli s h e d. M 4. 8- 1 ( 2 0 2 3): R e gi o n al i nt e gr ati v e m o d eli n g fr a m e w or k s f or t w o d e m o n str ati o n r e gi o n s a v ail a bl e. M 4. 8- 2 ( 2 0 2 3): D e v el- o p s u st ai n a bl e m a n a g e m e nt g ui d eli n e s f o c u si n g o n e c o s y st e m p ar a m et er s f or M P A s a n d O E C M s. M 4. 8- 3 ( 2 0 2 4): D e v el o p str at e gi e s f or i nt e gr at e d ri s k m a n a g e m e nt a n d s p ati al pl a n ni n g. M 4. 8- 4 ( 2 0 2 5): C u m u- l ati v e s o ci o- e c ol o gi c al i m p a ct a s s e s s m e nt s f or m ulti- u s e c o n c e pt s p u bli s h e d t o s u p p ort d e ci si o n- m a k- er s, s u st ai n a bl e bl u e gr o wt h i niti ati v e s, a n d c o n s er v ati o n e fi ort s. M 4. 8- 5 ( 2 0 2 6): Pl atf or m s t o i nt e gr at e hi g h-r e s ol uti o n at m o s p h er e- o c e a n cli m at e c h a n g e si m ul ati o n r e s ult s wit h s o ci o- e c o n o mi c a n d e n vir o n - m e nt al d at a f or i m p a ct m o d eli n g e st a bli s h e d. D 4. 9 ( 2 0 2 7): Fr a m e w or k f or tr a n sf or m ati v e m ari n e r e s o ur c e u s e d e v el o p e d c a pt uri n g t h e di m e n si o n s of t h e S D G s. M 4. 9- 1 ( 2 0 2 3): C o n c e pt s f or z er o- di s c h ar g e fr o m s u st ai n a bl e a q u a c ult ur e d e v el o p e d, i n cl u di n g I M T A / ot h er e c o- s y st e m fri e n dl y str at e gi e s a n d r o b u st t e c h n ol o g y f or hi g h e n er g y e n vir o n m e nt s. M 4. 9- 2 ( 2 0 2 5): R e st or ati o n str at e gi e s f or m a cr o al g a e a n d n utri e nt e xtr a cti o n c a p a biliti e s of m ari n e pl a nt s f oll o w- i n g e c o s y st e m s er vi c e s d e v el o p e d. D 4. 1 0 ( 2 0 2 7): Str at e g y f or a virt u al C e nt er of E x c ell e n c e f or Cli m at e a n d C o a st al S er vi c e s d e v el o p e d t o s u p p ort tr a n sf or m ati v e a d a pt ati o n a n d s u st ai n a bl e c o a st s i n 2 0 5 0. M 4. 1 0- 1 ( 2 0 2 4): C o a st al m a n a g e m e nt t o ol kit i m pl e m e nt e d, a n d pr ot ot y p e of c o a st al cli m at e s er vi c e s d e v el o p e d. M 4. 1 0- 2 ( 2 0 2 6): C at al o g s of cli m at e a n d c o a st al s er vi c e s f or s u st ai n a bl e ur b a n c o a st s a n d s ettl e m e nt s p u bli s h e d. I nfr a str u ct ur e s a n d s p e ci fi c r e s o ur c e s. I n a d diti o n t o H P C f a ciliti e s, t hi s S T r eli e s o n l ar g e o b s er v ati o n al i nfr a str u ct ur e, i n cl u di n g C O S Y N A, D A N U BI U S- RI, M O S E S, a n d v ari o u s A WI st ati o n s. T h e r e s e ar c h c e nt er s o n H el g ol a n d, S ylt a n d i n Br e m er h a v e n ( C e ntr e f or A q u a c ult ur e R e s e ar c h) ar e k e y i nfr a str u ct ur e s, a s ar e t h e r e - s e ar c h v e s s el s, H ei n c k e, Ut h ör n, M y a, A a d e, a n d t h e l ar g e m e s o c o s m ‘ R E E P O N’. 1 5 3 *J a c o b D, K ot o v a L, T ei c h m a n n C, S o b ol o w s ki S P, V a ut ar d R, D o n n ell y C, K o utr o uli s A G, Grill a ki s M G, Ts a ni s I K, D a m m A, et al. 2 0 1 8. Cli m at e i m p a ct s i n E ur o p e u n d er + 1. 5 ° C gl o b al w ar mi n g. E art h’ s F ut ur e. 6( 2): 2 6 4- 2 8 5. 1 5 4 Li vi n g l a b or at ori e s ar e u s er- c e nt er e d, o p e n-i n n o v ati o n s y st e m s t h at i nt e gr at e r e s e ar c h a n d i n n o v ati o n pr o c e s s e s. 1 5 5 Kr o n s ell A, M u k ht ar- L a n d gr e n D. 2 0 1 8. E x p eri m e nt al g o v er n a n c e: t h e r ol e of m u ni ci p aliti e s i n ur b a n li vi n g l a b s. E ur Pl a n St u d. 2 6: 9 8 8 – 1 0 0 7. 1 5 6 * Oj w a n g L, R o s e n d o S, C elli er s L, O b ur a D, M uiti A, K a m ul a J, M w a n gi M. 2 0 1 7. A s s e s s m e nt of c o a st al g o v er n a n c e f or cli m at e c h a n g e a d a pt ati o n i n K e n y a. E art h’ s F ut ur e. 5: 1 1 1 9- 1 1 3 2. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 2 9

T o pi c 4: C o a st al Tr a n siti o n Z o n e s u n d er N at ur al a n d H u m a n Pr e s s ur e A WI f o c u s e s o n c o a st al s y st e m s i n t h e N ort h S e a, Ar cti c, a n d S o ut h er n O c e a n. U si n g o b s er v ati o n s, e x p er - i m e nt ati o n, a n d m o d eli n g, t h e e c o s y st e m st at u s i s e v al u at e d wit h r e g ar d t o cli m at e c h a n g e a s w ell a s h u- m a n-i n d u c e d e utr o p hi c ati o n, p oll uti o n, a n d s p e ci e s c o m m u nit y c h a n g e. A WI’ s e x p erti s e i n bi ol o gi c al a n d bi o - g e o c h e mi c al d y n a mi c s of c o a st al e c o s y st e m s i s li n k e d a cr o s s a r a n g e of s c al e s a n d a cr o s s a wi d e r a n g e of g e o c h e mi c al c o n diti o n s. 1 6 4 ,1 6 5 St u di e s at t h e m ol e c ul ar l e v el li n k t o t h e or g a ni s m l e v el vi a p o p ul ati o n e c ol o g y, a n d vi a s p e ci e s i nt er a cti o n s t o c o m m u nit y s hift s , f u n cti o n al bi o di v er sit y, a n d f o o d- w e b d y n a mi c s. A WI f o c u s e s o n di s e nt a n gli n g n at ur al e c o s y st e m f u n cti o n a n d v ari a bilit y fr o m di v er s e cli m ati c a n d a nt hr o p o g e ni c pr e s - s ur e s. T h e i m p a ct of i n di vi d u al dri v er s h a s b e e n a d dr e s s e d o n a wi d e r a n g e of s p ati al a n d t e m p or al s c al e s t o a s s e s s w h et h er e c o s y st e m s, bi ol o gi c al c o m m u niti e s, s p e ci e s, a n d or g a ni s m s c a n eit h er s h o w r e sili e n c e a n d a dj u st, or s u c c u m b t o t h e s e pr e s s ur e s. T h e n e wl y f o u n d e d HI F M B (li n k T 6) will all o w t o e x p a n d t hi s r e s e ar c h c o n si d er a bl y. A WI c o ntri b ut e s t o l o c al, r e gi o n al, n ati o n al, a n d i nt er n ati o n al c o a st al m a n a g e m e nt r e c o m m e n - d ati o n s, a n s w er s st a k e h ol d er q u e sti o n s, i n v e st s i n c a p a cit y d e v el o p m e nt, a n d pr o vi d e s e x p ert s f or a n u m b er of n ati o n al a n d i nt er n ati o n al w or ki n g gr o u p s, s o ci et al c h all e n g e s a n d s u st ai n a bilit y q u e sti o n s, f or e x a m pl e vi a t h e N ort h S e a O fi c e. M e m b er s of A WI c o a st w er e f o u n di n g m e m b er s i n t h e S ci e nti st s 4 F ut ur e m o v e m e nt. U F Z i n v e sti g at e s all a s p e ct s of i nl a n d w at er s, i n cl u di n g gl o b al w at er q u alit y a s s e s s m e nt. U si n g a d v a n c e d m o nit ori n g a n d s e n si n g i nfr a str u ct ur e s, m o biliz ati o n, tr a n s p ort, a n d tr a n sf or m ati o n pr o c e s s e s i n t h e c at c h m e nt- s p e ci fi c f u n cti o n al z o n e s ar e m e a s ur e d fr o m l o c al t o ri v er r e a c h a n d c at c h m e nt s c al e. 1 6 6 O n e f o c u s i s o n t h e e fi e ct of cli m at e c h a n g e. U F Z l e a d s M O S E S wit h a f o c u s o n h e at w a v e s a n d h y dr ol o gi c al e xtr e m e s. C at c h m e nt wi d e ff u x e s of e n er g y, w at er, a n d n utri e nt s tri g g er e d b y e xtr e m e e v e nt s i n t h e El b e c at c h m e nt pr o vi d e a li n k t o t h e G er m a n Bi g ht. U ni q u e n e s s. T 4 p ur s u e s a n a m biti o u s a n d u ni q u e s y st e m s a p pr o a c h. T hi s i n cl u d e s o b s er v ati o n s, t h eir i nt e gr ati o n i nt o m o d el s, t h e c o u pli n g of m o d el s, a n d t h e d e v el o p m e nt of s o ci all y r el e v a nt s er vi c e s a n d pr o d u ct s. T h e T o pi c i s u ni q u el y e q ui p p e d f or t hi s ki n d of r e s e ar c h. H Z G a n d A WI e m pl o y e x p ert s w or ki n g a cr o s s t h e t hr e e S Ts, a n d i n di fi er e nt c o m p art m e nt s a n d di s ci pli n e s t h at ar e f o c u si n g o n i nt er a cti o n s a n d c o u pli n g s i n c o m pl e x c o a st al e n vir o n m e nt s. M o d eli n g, a s w ell a s i ni mit a bl e o b s er v ati o n al c a p a citi e s, h a v e b e e n d e v el o p e d i n t h e p a st, e n a bli n g u ni q u e p o s si biliti e s f or i m pr o vi n g pr o c e s s a n d s y st e m u n d er st a n di n g. T hi s i nt e gr ati o n of t h e di fi er e nt e x p erti s e a n d i nfr a str u ct ur e s all o w s f or a s e a ml e s s s y st e m s a n al y si s fr o m l o c al t o r e gi o n al s c al e s, a cr o s s di fi er e nt c o m p art m e nt s, a n d fr o m t h e p a st i nt o t h e f ut ur e. F) C oll a b or ati o n a n d tr a n sf er P art n er s. T o f urt h er str e n gt h e n e x c ell e nt c o a st al a n d cli m at e r e s e ar c h, T 4 b uil d s o n o ut st a n di n g str at e gi c p art - n er s hi p s wit h n ati o n al a n d i nt er n ati o n al l e a di n g p art n er s. D e di c at e d a cti viti e s t o c o m pl e m e nt T 4 r e s e ar c h ar e, f or e x a m pl e, j oi nt r e s e ar c h pr oj e ct s, s ci e nti st e x c h a n g e pr o gr a m s, P h. D. s u p er vi si o n, a n d pr o d u ct d e v el o p m e nt. 1 6 4 * H e n k el S, K a st e n S, H art m a n n J, B u s s o A S, St a u b w a s s er M. 2 0 1 8. Ir o n c y cli n g a n d st a bl e F e i s ot o p e fr a cti o n ati o n i n A nt ar cti c s h elf s e di m e nt s, Ki n g G e or g e I sl a n d. G e o c hi m C o s m o c hi m A c. 2 3 7: 3 2 0 – 3 3 8 1 6 5 * O ni O, Mi y at a k e T, K a st e n S, Ri c ht er- H eit m a n n T, Fi s c h er D, W a g e n k n e c ht L, K ul k ar ni A, Bl u m er s M, S h yli n SI, K s e n of o nt o v V, et al. 2 0 1 5. Di sti n ct mi cr o bi al p o p ul ati o n s ar e ti g htl y li n k e d t o t h e pr o fil e of di s s ol v e d ir o n i n t h e m et h a ni c s e di m e nt s of t h e H el g ol a n d m u d ar e a, N ort h S e a. Fr o nt Mi cr o bi ol . 6: 3 6 5. 1 6 6 * W oll s c hl ä g er U, Atti n g er S, B or c h ar dt D, Br a u n s M, C u ntz M, Di etri c h P, Fl e c k e n st ei n J H, Fri e s e K, Fri e s e n J, H ar p k e A, et al. 2 0 1 7. T h e B o d e h y dr ol o gi c al o b s er v at or y: a pl atf or m f or i nt e gr at e d, i nt er di s ci pli n ar y h y dr o- e c ol o gi c al r e s e ar c h wit hi n t h e T E R E N O H ar z / C e ntr al G er m a n L o wl a n d O b s er v at or y. E n vir o n E art h S ci. 7 6 ( 2 9). Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 3 1

T o pi c 4: C o a st al Tr a n siti o n Z o n e s u n d er N at ur al a n d H u m a n Pr e s s ur e Cr o s s- C utti n g A cti viti e s a n d Alli a n c e s. T 4 c o ntri b ut e s t o t h e C T A M O S E S e v e nt c h ai n s h y dr ol o gi c al e x - tr e m e s (l e d b y U F Z) a n d o c e a n e d di e s (l e d b y H Z G). C T A M O S E S c o m pri s e s m o d ul ar, hi g hl y fi e xi bl e, a n d m o bil e o b s er v ati o n s y st e m s f or i m pr o vi n g o ur u n d er st a n di n g of c o m pl e x e v e nt c h ai n s a cr o s s c o m p art m e nt s wit h str o n g c o n n e cti o n s t o T 2, T 5, a n d T 6. T h e C T A E S M (l e d b y A WI) i s t ar g eti n g t h e d e v el o p m e nt of c o u pl e d m o d el s, t h e a s s e s s m e nt of r e gi o n al e xtr e m e s, a n d k n o wl e d g e tr a n sf er t o s o ci et al a ct or s (li n k s t o T 1, T 2, T 3, T 5, a n d T 6), a n d c o ntri b ut e s t o t h e d e v el o p m e nt of a n ati o n al E art h s y st e m m o d eli n g str at e g y f or cli m at e a n d c o a st al m o d eli n g. T h e G e e st h a c ht C o a st al M o d el Fr a m e w or k G C O A S T i s p art of C T A E S M a n d will b e d e v el - o p e d t o w ar d s a n ati o n al c o a st al m o d eli n g fr a m e w or k wit hi n T 4. All T 4 p art n er s c o ntri b ut e t o t h e C A R F HI- C A M, w hil e H Z G c o or di n at e s t h e miti g ati o n cl u st er ‘ N et- Z er o- 2 0 5 0’. T h e a d a pt ati o n cl u st er i s l e d b y U F Z. T 4 c o n n e cti o n s e xi st t o C A R F M A C E a n d C A R F R e sili e nt Ur b a n S p a c e s, C T A Di git al E art h, C A R F R E K LI M a n d i s p art of t h e pr o p o s e d C A R F J L- E x a E S M, N F DI a n d Alli a n c e D E S A. H Z G h o st s t h e l o c al H AI C U h u b AI M. U F Z c o or di n at e s t h e C T A T E R E N O h y dr ol o gi c al o b s er v at or y sit e i n c e ntr al G er m a n y. Tr a n sf er a n d c o ntri b uti o n t o S y n C o m. T 4 will c o ntri b ut e t o S y n C o m wit h di s ci pli n ar y a n d m ulti- di s ci pli n ar y k n o wl e d g e, tr a n s di s ci pli n ar y r e s e ar c h, a n d e v al u ati o n of s ci e n c e- s o ci et y di al o g u e s p erti n e nt t o c o a st s. T h e tr a n sf er a cti viti e s i n cl u d e ‘ s ci e n c e-i nf or m s- s o ci et y’ a n d ‘ s ci e n c e-i nt er a ct s- wit h- s o ci et y’ a p pr o a c h e s a n d b uil d s o n t h e e x p erti s e of H Z G / G E RI C S a n d t h e r e gi o n al o fi c e s at H Z G /If K ( N ort h er n G er m a n C o a st al a n d Cli m at e O fi c e), A WI ( N ort h S e a O ff c e, R E K LI M o fi c e), a n d U F Z ( Cli m at e O fi c e f or C e ntr al G er m a n y). T 4 will pri ori - tiz e c o- cr e ati o n a n d c o- d e si g n of k n o wl e d g e wit h st a k e h ol d er s, e n h a n c e c a p a cit y b uil di n g, e n a bl e t e c h n ol o g y tr a n sf er, e m pl o y a n o p e n d at a p oli c y, a n d pr o vi d e m o d el d at a a n d o b s er v ati o n s t hr o u g h t h e c o a st al d at a pl atf or m H C D C a s p art of t h e M ar e H u b of D A M / N F DI 4 E art h a n d t h e D K R Z- C E R A- W D C C d at a b a s e. T h e c ol - l a b or ati o n wit h f e d er al, n ati o n al, a n d E ur o p e a n g o v er n m e nt a g e n ci e s a n d st a k e h ol d er s will b e e v al u at e d t o i d e ntif y i nf or m ati o n- fi o w b ottl e n e c k s, i n e fi ci e n ci e s, a n d fl d elit y l e a di n g t o i m pr o v e d c o m m u ni c ati o n c h a n n el s. T o a n s w er n e e d s ari si n g fr o m u s er- dri v e n q u e sti o n s, m a n a g e m e nt m e a s ur e s, a n d a cti viti e s r el at e d t o t h e r e - gi o n al t o l o c al i m p a ct of cli m at e c h a n g e, all r el e v a nt pr o c e s s e s a n d c o m p o n e nt s of t h e r e gi o n al c o a st al s y st e m will b e a s s e s s e d. T h e c o- cr e at e d k n o wl e d g e will b e s h ar e d wit h t h e g e n er al p u bli c, n ati o n al, a n d i nt er n ati o n al st a k e h ol d er s t hr o u g h i n n o v ati v e c o m m u ni c ati o n c h a n n el s. E x e c uti v e S u m m ar y • • • T 4 a p pli e s a u ni q u e s y st e m s a p pr o a c h t o a s s e s s c o a st al tr a n siti o n z o n e s a s c o m pl e x h u m a n- e n vi - r o n m e nt s y st e m s. It i nt e gr at e s a v ari et y of o b s er v ati o n al f a ciliti e s, l o n g-t er m d at a s et s, a n d n at ur al a n d s o ci o- e c o n o mi c m o d eli n g a cti viti e s t o i n cr e a s e o ur u n d er st a n di n g of c o a st al s y st e m s f u n c - ti o ni n g. It c o n n e ct s l a n d- s e a- at m o s p h er e a n d p e o pl e a s a b a si s f or m ulti- u s e s c e n ari o s t o s u p p ort s ol uti o n s t o w ar d s f ut ur e r e sili e nt s o ci al- e c ol o gi c al c o a st al s y st e m s a n d h u m a n li v eli h o o d. D u e t o it s s y st e m s a p pr o a c h, T 4 c o ntri b ut e s t o all o bj e cti v e s of t h e Pr o gr a m, wit h a p arti c ul ar f o c u s t o o bj e cti v e s 1 ( e xt e n d pr e di ct a bilit y), 2 ( bi o g e o c h e mi c al c y cl e s a n d ff u x e s b et w e e n E art h c o m p art m e nt s), 3 ( cli m at e c h a n g e a d a pt ati o n), 7 ( s u st ai n a bl e, cli m at e-r e sili e nt m ari n e n at ur al r e - s o ur c e s), a n d 9 (i nt er a cti o n b et w e e n e n vir o n m e nt al p oll uti o n a n d h u m a n a n d e c ol o gi c al h e alt h). Pl a c e d at t h e i nt erf a c e of s e v er al E art h s y st e m c o m p art m e nt s, T 4 t a k e s a s p e ci fi c r ol e wit hi n t h e Pr o gr a m b y i nt e gr ati n g m o d eli n g a cti viti e s a n d o b s er v ati o n s t o i m pr o v e t h e o v er all H el m h oltz c o m p et e n c e a n d c a p a cit y i n E art h s y st e m r e s e ar c h. Wit hi n t h e Pr o gr a m, T 4 h a s t h e a m biti o n t o bri d g e t h e s ci e n c e- s o ci et y g a p b y i n v ol vi n g s o ci et al p art n er s t o e n s ur e t h e d e v el o p m e nt of s ci e n - ti ff c all y s o u n d a n d r el e v a nt s ol uti o n s f or t h e m o st pr e s si n g i s s u e s f or c o a st al z o n e m a n a g e m e nt. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 3 3

T o pi c 5: L a n d s c a p e s of t h e F ut ur e: S e c uri n g t err e stri al e c o s y st e m s a n d fr e s h w at er r e s o ur c e s A s a r e s ult of c o m p eti n g s o ci et al d e m a n d s f or r e s o ur c e s a n d i n cr e a si n g pr e s s ur e s, t h er e i s a gr o wi n g p ot e nti al f or c o n fii ct b et w e e n v ari o u s e n vir o n m e nt al a n d s o ci et al g o al s – a s r e fi e ct e d i n tr a d e- o fi s b et w e e n t h e U N’ s S u st ai n a bl e D e v el o p m e nt G o al s. L a n d s c a p e s n e e d t o pr o vi d e m ulti pl e f u n cti o n s t h at h u m a n s o ci eti e s r e q uir e d e s pit e p ot e nti all y c o n ffi cti n g o bj e cti v e s. T h er e i s a n ur g e nt n e e d f or fi n di n g n e w p at h w a y s t h at s u st ai n a bl y b al - a n c e, f or e x a m pl e, a gri c ult ur e, n at ur e c o n s er v ati o n, fr e s h w at er m a n a g e m e nt, a n d c o n n e ct e d ur b a n li v eli h o o d s. Vi a bl e m ultif u n cti o n al l a n d s c a p e s of t h e f ut ur e m u st b e a bl e t o s u st ai n a bl y d eli v er t h e m a n y a n d di v er s e s er - vi c e s d e m a n d e d b y s o ci et y, e v e n u n d er i nt e n sif yi n g pr e s s ur e s. T h e y h a v e t o r et ai n e n o u g h of t h eir n at ur al c a p a citi e s i n or d er t o s af e g u ar d t h e m ulti pli cit y of s er vi c e s, t h eir r ol e i n bi o g e o c h e mi c al pr o c e s s e s of t h e E art h s y st e m, a n d r e g ul at e t h e cli m at e. T h e y m u st s u st ai n f o o d pr o d u cti o n, m ai nt ai n fr e s h w at er a n d f or e st r e s o ur c e s, pr o vi d e e n er g y, r e n d er ur b a n ar e a s li v a bl e, a n d t h e y h a v e t o b e r e sili e nt t o h y dr o m et e or ol o gi c al e xtr e m e s. T h e c h all e n g e i s t o b al a n c e t h e s e di v er s e l a n d s c a p e f u n cti o n s b y e x pl oiti n g s y n er gi e s a n d mi ni mizi n g tr a d e- o fi s. T o t hi s e n d, w e h a v e t o i) u n d er st a n d c o m pl e x e n vir o n m e nt al pr o c e s s e s a n d t h eir i nt er a cti o n s a g ai n st t h e b a c k dr o p of n at ur al d y n a mi c s, s o ci o- e c o n o mi c dri v er s, a n d d e ci si o n- m a ki n g pr o c e d ur e s, ii) a s s e s s e n vi - r o n m e nt al i m p a ct s of r e s o ur c e u s e o n h u m a n a n d e c o s y st e m h e alt h, a n d iii) d e v el o p str at e gi e s a n d pr o vi d e a cti o n a bl e k n o wl e d g e 1 7 1 o n h o w m ultif u n cti o n al l a n d s c a p e s c a n b e a c hi e v e d. T o pi c 5 ( T 5) c o m pri s e s all t h e s e el e m e nt s t o a d o pt a n a d v a n c e d a n d n o v el s y st e mi c p er s p e cti v e o n l a n d - s c a p e s. T hi s m e a n s t o i nt e gr at e e n vir o n m e nt al c o m p art m e nt s, ti m e s c al e s, a n d s o ci o- e c o n o mi c s e ct or s, a n d m at c h n at ur al f u n cti o n s of t h e E art h’ s t err e stri al s urf a c e wit h f u n cti o n s t h at ar e m ar k e d b y h u m a n u s e, i. e., c o n s u m pti o n, alt er ati o n, a n d d e gr a d ati o n. O ur a p pr o a c h i s b uilt o n e x p eri m e nt s a n d o b s er v ati o n s, a n d o n r e c o n str u cti o n s of E art h s urf a c e d y n a mi c s d uri n g p eri o d s of r a pi d cli m at e c h a n g e, l e a di n g t o a n i n- d e pt h u n - d er st a n di n g of h o w t err e stri al e c o s y st e m s a n d fr e s h w at er r e s o ur c e s r e s p o n d t o c h a n gi n g pr e s s ur e s. R e s ulti n g i m p a ct s ar e a n al yz e d f or p a st tr aj e ct ori e s, o b s er v e d at c urr e nt st at e s a n d m o d el e d f or f ut ur e p at h w a y s. All t hi s f e e d s i nt o a n e w g e n er ati o n of hi g h-r e s ol uti o n pr e di cti v e m o d el s a n d t h eir i m pl e m e nt ati o n i nt o a m o d u - l ar l a n d si m ul at or. T h e c e ntr al s y nt h e si s pr o d u ct L a n d Tr a n s, t o w hi c h all S u bt o pi c s ( S Ts) will d eli v er i n p ut s, will p er mit t h e d e si g n of s u st ai n a bl e m a n a g e m e nt o pti o n s. It will c o m pri s e s c e n ari o s, d at a pr o d u ct s, a n d a s uit e of a d a pt e d pr o c e s s- b a s e d a n d d at a- dri v e n m o d el s. T h e s e m o d el s will b e u s e d, i n c oll a b or ati o n wit h st a k e h ol d er s, t o i d e ntif y s uit a bl e p oli c y i nt er v e nti o n s, g o v er n a n c e o pti o n s, l e v er a g e p oi nt s, a n d m a n a g e m e nt str at e gi e s. It will pi ct ur e b e st- pr a cti c e s o ci et al tr a n siti o n p at h w a y s t o w ar d s m ultif u n cti o n al l a n d s c a p e s, i n cl u di n g ur b a n s p a c e s a n d t h e ur b a n-r ur al n e x u s. E x pl a n ati o n a n d j u sti fi c ati o n of r e s e ar c h. T 5 a d dr e s s e s fi v e cl o s el y li n k e d r e s e ar c h s u bj e ct s t o f ul flll it s mi s si o n: 1. 2. 3. 4. 5. T err e stri al e c o s y st e m s of t h e f ut ur e: S e c uri n g e c o s y st e m f u n cti o n s a n d bi o di v er sit y . W at er r e s o ur c e s a n d t h e e n vir o n m e nt: S e c uri n g fr e s h w at er r e s o ur c e s . N at ur al d y n a mi c s of t h e t err e stri al E art h s urf a c e s y st e m: D et er mi ni n g n at ur al f u n cti o n s a n d s e n siti vi - ti e s of t h e E art h s urf a c e s y st e m. S M A R T m o d el s a n d m o nit ori n g: Pr o vi di n g r o b u st pr oj e cti o n s . S o ci et y a n d t h e t err e stri al e n vir o n m e nt: M a ki n g m ultif u n cti o n al l a n d s c a p e s a n d r e sili e nt citi e s . S e c uri n g e c o s y st e m f u n cti o n s a n d bi o di v er sit y: H alti n g a n d r e v er si n g e c o s y st e m d e gr a d ati o n a n d bi o di - v er sit y l o s s b y e x pl ori n g a n d d e si g ni n g s ol uti o n s f or s u st ai n a bl y m a n a gi n g e c o s y st e m s a n d l a n d s c a p e s t h at pr o vi d e t h e n e e d s of p e o pl e a n d n at ur e. E x p a n si o n a n d i nt e n si ff c ati o n of a gri c ult ur e a n d f or e str y, ur b a n s pr a wl, a n d cli m at e c h a n g e ar e t h e m aj or dri v er s t h at i n fi u e n c e bi o di v er sit y, s oil s, a n d e c o s y st e m s. T h e f o c al q u e sti o n i s h o w e c o s y st e m f u n cti o n s a n d t err e stri al bi o di v er sit y c a n s u st ai n a bl y b e m ai nt ai n e d or e v e n r e st or e d. D e v el o pi n g s c e n ari o s a n d pi ct ur e s of t h e f ut ur e t h at a d dr e s s t hi s f o c al q u e sti o n r e q uir e s e x p a n di n g o ur c urr e nt k n o wl e d g e of gl o b al c h a n g e t o i n cl u d e i nt er a cti o n s b et w e e n bi oti c a n d a bi oti c pr o c e s s e s a n d s o ci o- e c ol o gi c al f e e d b a c k s, a n d r e q uir e s e x- pli cit c o n si d er ati o n of n o n-li n e ariti e s i n tr e n d s of e c o s y st e m st at e s a n d f u n cti o n s a cr o s s di ff er e nt s p ati al a n d 1 7 1 “ Pr o p o siti o n s t h at ar e a cti o n a bl e ar e t h o s e t h at a ct or s c a n u s e t o i m pl e m e nt e fl e cti v el y t h eir i nt e nti o n s. A cti o n a bl e k n o wl e d g e r e q uir e s pr o p o siti o n s t h at m a k e e x pli cit t h e c a u s al pr o c e s s e s r e q uir e d t o pr o d u c e a cti o n.” Ar g yri s C. 2 0 0 5. A cti o n a bl e K n o wl e d g e. I n: K n u d s e n C, Ts o u k a s H, e dit or s. T h e O xf or d H a n d b o o k of Or g a niz ati o n T h e or y. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 3 5

T o pi c 5: L a n d s c a p e s of t h e F ut ur e: S e c uri n g t err e stri al e c o s y st e m s a n d fr e s h w at er r e s o ur c e s o b s er v ati o n a n d m o nit ori n g str at e gi e s, u si n g i nt e gr at e d o b s er v at ori e s li k e T E R E N O at n ati o n al s c al e or e L T E R ( L o n g- T er m E c o s y st e m R e s e ar c h i n E ur o p e) at E ur o p e a n s c al e, e v e nt m o nit ori n g li k e t hr o u g h M O S E S a s w ell a s i nt e gr at e d pr o d u ct s fr o m o ur n e w R e m ot e S e n si n g C e ntr e ( R S C). T h e m o st a d v a n c e d c o m p uti n g a n d d at a s ci e n c e m et h o d s li k e e x a s c al e a n d q u a nt u m c o m p uti n g, a s w ell a s AI t e c h n ol o gi e s, O p e n S ci e n c e a n d t e c h n o - l o gi c all y i nt elli g e nt m ulti-t h e m ati c d at a r e p o sit ori e s d o si g ni fi c a ntl y s u p p ort t h e pr o gr e s s. M a ki n g m ultif u n cti o n al l a n d s c a p e s a n d r e sili e nt citi e s: D e v el o pi n g g o v er n a n c e m e c h a ni s m s, p oli c y o p- ti o n s, m a n a g e m e nt str at e gi e s, a n d pi ct uri n g tr a n sf or m ati o n p at h w a y s t h at r e c o n cil e s o ci et al d e m a n d s a n d t h e i nt e grit y of t h e e n vir o n m e nt. B al a n ci n g r e s o ur c e u s e a n d t h e m ultit u d e of l a n d s c a p e f u n cti o n s ( e. g., air a n d w at er q u alit y, s oil c ar b o n, n utri e nt c y cli n g, bi o di v er sit y, p olli n ati o n, c o ntri b uti o n s t o h u m a n h e alt h) r e q uir e s a n u n d er st a n di n g of s o ci - et al a n d e c o n o mi c dri v er s, b e h a vi or al r e s p o n s e s, g o v er n a n c e str u ct ur e s, a n d s o ci et al c h a n g e pr o c e s s e s. T o t hi s e n d, t h e f ull r a n g e of s o ci al s ci e n c e s ( e c o n o mi c s, s o ci ol o g y, p oliti c al s ci e n c e, l a w, a n d s y st e m s a n al y si s) will b e d e pl o y e d, a n d r e s ult s of bi o di v er sit y a n d w at er r e s e ar c h fr o m t h e n at ur al s ci e n c e s will b e i nt e gr at e d. B a s e d o n t hi s, a p pr o pri at e tr a n sf or m ati o n p at h w a y s t o w ar d s m ultif u n cti o n al l a n d s c a p e s will b e d e v el o p e d a n d a s s e s s e d. St a k e h ol d er s will b e i n v ol v e d i n s ci e n c e- p oli c y- di al o g u e s t o e n s ur e c o h er e n c e, c o m pli a n c e, l e giti m a c y, a n d e fi e cti v e n e s s of p oli c y r e c o m m e n d ati o n s i n c o m pl e x d e ci si o n- m a ki n g ar e n a s. B a s e d o n o ur l o n g-l a sti n g e x p eri e n c e i n i nt er- a n d tr a n s di s ci pli n ar y r e s e ar c h w e d eri v e p oli c y o pti o n s f or, e. g., t h e E U C o m- m o n A gri c ult ur al P oli c y, or t h e d e fi niti o n of w at er q u alit y t ar g et s f or t h e E U W at er Fr a m e w or k Dir e cti v e b e y o n d 2 0 2 7. Citi e s ar e d e ci si o n- m a ki n g ar e n a s of s p e ci al i nt er e st: b ei n g h ot s p ot s of i n cr e a si n g l a n d a n d r e s o ur c e u s e, gr e e n h o u s e g a s e mi s si o n s, a n d a m ultit u d e of di v er s e a ct or gr o u p s, t h e y s p e ci ff c all y r e q uir e a s o ci et al b al a n ci n g of di v er s e i nt er e st s a n d m ulti pl e tr a d e- o fi s. T h e ur b a n-r ur al n e x u s o p e n s u p o pti o n s f or s u st ai n a bl e tr a n sf or m ati o n p at h w a y s, f or e x a m pl e, i n t h e fi el d s of gr e e n a n d bl u e ur b a n i nfr a str u ct ur e s. Str at e gi c g ui d eli n e s ( F o P o Z). T 5 bri n g s t o g et h er c o m pr e h e n si v e pr o c e s s u n d er st a n di n g f or e c o s y st e m s a n d l a n d s c a p e s i n or d er t o i m pr o v e t h e a bilit y t o f or e c a st t h e i m p a ct s of gl o b al a n d cli m at e c h a n g e, p arti c ul arl y at t h e r e gi o n al l e v el, a n d t o d e v el o p n e w c o n c e pt s f or t h e u s e a n d s u st ai n a bl e m a n a g e m e nt of m ultif u n cti o n al l a n d s c a p e s. T 5 pr o vi d e s: i) a p pr o a c h e s t o r e c o n cil e w at er s e c urit y a n d e c o s y st e m s er vi c e s wit h t h e f u n cti o n s a n d li mit ati o n s of t h eir n at ur al c o nt e xt s, e. g., i n a gri c ult ur e, ii) a d a pt ati o n m e a s ur e s t o c urr e nt cli m at e d y n a m - i c s i n cl u di n g e xtr e m e e v e nt s li k e fi o o d s, dr o u g ht s, a n d h e at, iii) tr a n sf or m ati o n p at h w a y s t o w ar d s li v a bl e ur b a n ar e a s i n or d er t o i n cr e a s e t h e r e sili e n c e a n d q u alit y of lif e i n t h e f a c e of cli m at e c h a n g e a n d i n cr e a si n g e xtr e m e e v e nt s. i v) T h e L a n d Tr a n s si m ul at or a s a t o ol f or a n al y si s, f or e c a sti n g, a n d k n o wl e d g e s y nt h e si s will e x p a n d t h e tr a n sf er of k n o wl e d g e t o s ci e n c e a n d s o ci et y. F u n cti o n a n d c o ntri b uti o n of t h e T o pi c wit hi n t h e Pr o gr a m. T 5 g e n er at e s k n o wl e d g e- b a s e d r e c o m m e n d a - ti o n s f or m ultif u n cti o n al t err e stri al l a n d s c a p e s. It o p e n s a v e n u e s f or i nt er- a n d tr a n s di s ci pli n ar y r e s e ar c h b y a p pl yi n g a n e xt e n d e d s y nt h e si s a p pr o a c h t h at i nt e gr at e s i n di vi d u al c o m p art m e nt s, s o ci o- e c o n o mi c s e ct or s, di fi er e nt s p ati al a n d t e m p or al s c al e s, a n d st a k e h ol d er k n o wl e d g e. T 5’ s m o d eli n g str at e gi e s r e v e al n e w p at h s f or a n al yzi n g a n d m o d eli n g i m p a ct c h ai n s of gl o b al a n d cli m at e c h a n g e. Wit h t h e i n cl u si o n of s o ci al s ci e n c e s, T 5 will c o ntri b ut e t o t h e o v er all Pr o gr a m’ s mi s si o n t o d eri v e t ar g et- ori e nt e d a n d a cti o n a bl e k n o wl e d g e f or d e - ci si o n- m a k er s, st a k e h ol d er s, a n d t h e g e n er al p u bli c. It will b e i n str u m e nt al f or HI- C A M a n d S y n C o m. Cl o s e li n k s e xi st t o T 2 i n t h e fl el d of p er m afr o st. J oi ntl y wit h T 4 tr a n siti o n s b et w e e n t h e t err e stri al a n d t h e c o a st al ar e a s ar e a d dr e s s e d, e. g., w at er b o di e s b ei n g a n al yz e d fr o m t h eir s o ur c e s t o t h e s e a, or c o a st al ur b a n ar e a s; a l a n d- b a s e d t o ol kit will b e d e v el o p e d, a d di n g m o d ul e s f or s ci e n c e- pr a cti c e i nt erf a c e s a n d t ail or e d pr o d u ct s f or e n d u s er s. J oi ntl y wit h t h e m ari n e bi o di v er sit y e x p erti s e i n T 4 a n d T 6, T 5 will s h a p e bi o di v er sit y r e s e ar c h i n t h e n ati o n al a n d i nt er n ati o n al r e s e ar c h c o m m u nit y. F or T 7, T 5 pr o vi d e s s p ati all y- e x pli cit r e n e w - a bl e e n er g y a n d bi o m a s s s c e n ari o s a n d a s s e s s m e nt s, a n d t h u s c o m pl e m e nt s T 8’ s g e or e s o ur c e s- b a s e d w or k t o w ar d s t h e E n er g y Tr a n siti o n. A s c h e mi c al p oll ut a nt s ar e c o n si d er e d i n T 5’ s w at er-r el at e d r e s e ar c h, t h er e ar e cl o s e li n k s t o T 9 a n d C A R F M A C E. Hi g hli g ht s. Cr o s s- c o m p art m e nt al a n d cr o s s- s e ct or al a p pr o a c h. T 5 p arti c ul arl y f o c u s e s o n t h e i nt er d e - p e n d e n ci e s a n d r el ati o n s hi p s b et w e e n di ff er e nt e n vir o n m e nt al c o m p art m e nt s, s o ci o- e c o n o mi c s e ct or s, a n d r e gi o n al a n d t e m p or al ti m e s c al e s, e. g., w h e n a n al yzi n g p oll ut a nt s i n a gr o- e n vir o n m e nt al s y st e m s or cli m at e i m p a ct s a n d a d a pt ati o n str at e gi e s. C h ai n of k n o wl e d g e cr e ati o n : A br o a d r a n g e of s o ci al- s ci e n c e s di s ci- Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 3 7

T o pi c 5: L a n d s c a p e s of t h e F ut ur e: S e c uri n g t err e stri al e c o s y st e m s a n d fr e s h w at er r e s o ur c e s • • • O bj e cti v e 1 0: U n d er st a n d h u m a n a n d s o ci et al dri v er s, c a u s e s, a n d i m p a ct s (i n cl u di n g c o n fii ct s, s y n - er gi e s, tr a d e- o fi s, r e b o u n d e fi e ct s, a n d p ar a d o x e s) of s o ci et al r e s p o n s e s t o gl o b al c h a n g e a n d e xtr e m e cli m at e e v e nt s. O bj e cti v e 1 1: D e v el o p g o v er n a n c e m e c h a ni s m s, p oli c y o pti o n s, a n d m a n a g e m e nt str at e gi e s t o s e c ur e e n vir o n m e nt al r e s o ur c e s u n d er gl o b al c h a n g e a n d e n h a n c e tr a n sf or m ati o n s t o w ar d s m ultif u n cti o n al l a n d - s c a p e s, i n cl u di n g ur b a n s p a c e s a n d t h e ur b a n-r ur al n e x u s. O bj e cti v e 1 2: S y nt h e siz e r e s ult s i nt o a M o d ul ar Si m ul at or of Tr a n siti o n s f or s u st ai n a bl e m ultif u n cti o n al l a n d s c a p e s of t h e f ut ur e ( L a n d Tr a n s) wit h t h e ai m t o m a k e k n o wl e d g e a c c e s si bl e t o st a k e h ol d er s, d e ci- si o n- m a k er s, a n d t h e g e n er al p u bli c (i n p ut t o S y n C o m). Str u ct ur al O bj e cti v e s. • E S F RI e L T E R RI: D e v el o p a n i nt e gr at e d E ur o p e a n L o n g- T er m E c o s y st e m, Criti c al Z o n e & S o ci o- E c ol o gi c al R e s e ar c h I nfr a str u ct ur e i n c oll a b or ati o n wit h t h e T E R E N O p art n er s i n t h e H el m h oltz R F E & E a n d 1 9 E ur o - p e a n c o u ntri e s. T h e o v er all s y st e mi c a p pr o a c h of t hi s i nfr a str u ct ur e will all o w T 5 t o m o nit or a n d a n al yz e t e m p or al v ari ati o n s a n d l o n g-t er m tr e n d s a cr o s s di s ci pli n e s a n d a cr o s s m ulti pl e s c al e s. C) Str u ct ur e of t h e T o pi c a n d m oti v ati o n of S u bt o pi c s I ntr o d u cti o n of S u bt o pi c s. T o r e v e al a n d m a p i m p a ct c h ai n s c utti n g t hr o u g h t h e w h ol e t err e stri al s y st e m, T 5 f oll o w s a m o d ul ar s et- u p: L a n d u s e – wit h a s p e ci al f o c u s o n e c o s y st e m s, bi o di v er sit y, a n d s oil s – i s a d dr e s s e d i n S T 5. 1, a n d i nl a n d w at er s – i n cl u di n g e xtr e m e e v e nt s – i n S T 5. 2. S T 5. 3 e x pl or e s cli m at e c h a n g e i nt er a c- ti o n s fr o m g e ol o gi c al ti m e s t o t h e pr e s e nt a s a b a c k dr o p t o h u m a n i nt er v e nti o n s a n d a n al yz e s t h e i nt erf a c e s b et w e e n t h e E art h s urf a c e s y st e m a n d t h e g e o- a n d at m o s p h er e. D at a, m o nit ori n g, a n d m o d eli n g str at e gi e s c o n v er g e i n S T 5. 4. S o ci o- e c o n o mi c dri v er s a n d s o ci et al pr o bl e m- s ol vi n g c o n c e ntr at e i n S T 5. 5. C o ntri b uti o n s of t h e C e nt er s t o t h e T o pi c. T 5 i s b uilt ar o u n d t h e c o m pl e m e nt ar y p er s p e cti v e s, a p pr o a c h e s, m et h o d s, a n d r e s ult s of f o ur H el m h oltz c e nt er s t o e x pl oit s y n er gi e s a n d t a c kl e s ci e nti ff c c h all e n g e s of c o m - m o n i nt er e st. U F Z bri n g s c o m p et e n c e s i n e c o s y st e m- a n d w at er-r el at e d r e s e ar c h, r e gi o n al m o d el- b a s e d pr e- di cti o n s / pr oj e cti o n s, a n d s o ci al s ci e n c e s. G F Z c o ntri b ut e s c o m p et e n c e s i n G e o s ci e n c e s, E art h o b s er v ati o n, a n d h y dr ol o gi c al e xtr e m e s. A WI a d d s p er m afr o st r e s e ar c h a n d p ol ar t err e stri al e c ol o g y, a n d H Z G / G E RI C S s u p pli e s e x p erti s e i n r e gi o n al cli m at e m o d eli n g a n d cli m at e s er vi c e d e v el o p m e nt, e s p e ci all y wit h r e g ar d t o t o ol b o x e s f or ur b a n s p a c e s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 3 9

T o pi c 5: L a n d s c a p e s of t h e F ut ur e: S e c uri n g t err e stri al e c o s y st e m s a n d fr e s h w at er r e s o ur c e s M ai n o bj e cti v e s. • • • • D eri v e a s y st e mi c u n d er st a n di n g of c o m pl e x i nt er a cti o n s a n d f e e d b a c k s, i n cl u di n g c o m m u nit y a s s e m bl y r ul e s a n d bi oti c- a bi oti c i nt err el ati o n s t h at b u fi er s oil s, bi o di v er sit y, a n d e c o s y st e m s a g ai n st gl o b al c h a n g e a cr o s s a r a n g e of s p ati o-t e m p or al s c al e s (i n c o o p er ati o n wit h T 6 a n d T 7). D e v el o p s c e n ari o s o n p o s si bl e f ut ur e s u si n g c o m bi n ati o n s of t h e or y a n d m o d eli n g b a s e d o n e x p eri m e nt a - ti o n a n d o b s er v ati o n s a s a b a si s t o d eri v e p oli c y o pti o n s a n d m a n a g e m e nt str at e gi e s. I d e ntif y l e v er a g e p oi nt s f or a c hi e vi n g s u st ai n a bl e m a n a g e m e nt of f ut ur e e c o s y st e m s a n d l a n d s c a p e s b y i nt e gr ati n g n at ur al a n d s o ci o- e c o n o mi c v ari a bl e s i n m o d el r e gi o n s. Pr o vi d e p oli c y r el e v a nt k n o wl e d g e o n h o w t o d e v el o p l a n d s c a p e s t h at r e c o n cil e h u m a n a p pr o pri ati o n of n at ur al r e s o ur c e s, h alt a n d r e v er s e bi o di v er sit y l o s s a n d s oil d e gr a d ati o n, a n d pr o m ot e s u st ai n a bl e e c o - s y st e m f u n cti o n s a n d s er vi c e s. W or k pr o gr a m. W e ai m t o d e v el o p e fi e cti v e s ol uti o n s f or e n s uri n g l o n g-t er m s u st ai n a bl e h u m a n w ell- b ei n g w hil e pr ot e cti n g t h e n at ur al w orl d t h at w e d e p e n d o n. T hi s r e q uir e s pr o c e s s- b a s e d u n d er st a n di n g i n or d er t o pr o vi d e pr oj e cti o n s a cr o s s t h e r a n g e of s c e n ari o s t h at d e p e n d o n cli m at e pr oj e cti o n s a n d alt er n ati v e s o ci o- e c o - n o mi c r e s p o n s e s. B uil di n g o n o ur c o m p et e n ci e s, w e will e m pl o y a r a n g e of a p pr o a c h e s fr o m pr o c e s s- b a s e d t h e or y a n d m o d el s, e c ol o gi c al d at a a n d i nf or m ati c s, e x p eri m e nt al pl atf or m s, a n d s e n s or t e c h n ol o gi e s a s w ell a s ff el d o b s er v ati o n s. W e will u s e e xi sti n g a n d n o v el m o nit ori n g t e c h ni q u e s, w hi c h pr o vi d e t h e d at a f or E s s e n- ti al E c o s y st e m V ari a bl e s ( E E V) f or q u a ntif yi n g st at e s a n d tr e n d s i n e c o s y st e m s a n d t h eir f u n cti o n s i n di fi er e ntl y m a n a g e d l a n d s c a p e s . T hi s will e x p a n d t h e c urr e nt fr a m e w or k of E s s e nti al V ari a bl e s d e v el o p e d f or bi o di v er sit y a n d cli m at e, w hi c h f o c u s e s o n or g a ni s m s, t e m p er at ur e, a n d pr e ci pit ati o n b ut i g n or e s ot h er a bi oti c c o m p o n e nt s ( e. g., e n er g y, m att er, a n d w at er c y cl e s) a n d s o ci o- e c ol o gi c al f e e d b a c k s t h at ar e f u n d a m e nt al Fi g. 5. 2: S e c uri n g e c o s y st e m f u n cti o n s a n d bi o di v er sit y. S T 5. 1 a n al yz e s m ulti pl e i nt er a cti o n s b et w e e n a bi oti c a n d bi oti c pr o c e s s e s (i n cl u di n g a b o v e a n d b el o w gr o u n d), a n d l a n d u s e i m p a ct s at di fi er e nt or g a niz ati o n al l e v el s (fr o m m ol e c ul e s, g e n e s – p h y si ol o g y – s p e ci e s, p o p ul ati o n s – c o m m u niti e s – t o e c o s y st e m s) a n d a cr o s s s p ati o-t e m p or al s c al e s. S T 5. 1 will pr o vi d e a d e e p er u n d er st a n di n g of t h e f u n cti o ni n g a n d t h e d y n a mi c s of t err e stri al e c o s y st e m s u n d er t h e c o n diti o n s of gl o b al c h a n g e. W e will pr o vi d e vi si o n s, s c e n ari o s, a n d m o d el s f or s e c uri n g bi o di v er sit y, e c o s y st e m s, t h eir f u n cti o n s, a n d s er vi c e s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 4 1

T o pi c 5: L a n d s c a p e s of t h e F ut ur e: S e c uri n g t err e stri al e c o s y st e m s a n d fr e s h w at er r e s o ur c e s c o n fi g ur ati o n, a n d i nt e n sit y. T h e r e s ult s will b e i n c or p or at e d i nt o s c e n ari o s of s el e ct e d el e m e nt s of bi o di v er sit y a c c o u nti n g f or di s p er s al d y n a mi c s, tr ait di v er sit y a n d s p e ci e s i nt er a cti o n s, p oli c y o pti o n s, a n d m a n a g e m e nt str at e gi e s f or r e c e nt a n d n o v el e c o s y st e m s, i n cl u di n g s oil s y st e m s. N o v el s c e n ari o s, i. e., l a n d u s e c h a n g e p at h - w a y s, ar e d e v el o p e d i n c o o p er ati o n wit h s o ci al s ci e nti st s a n d b y a p pl yi n g m o d el- b a s e d b a c k- c a sti n g a p pr o a c h - e s, w hi c h ar e n o v el t hr o u g h t h e i n c or p or ati o n of t h e i n h er e nt b ut wi d el y i g n or e d bi o di v er sit y- pr o d u cti o n f e e d - b a c k. T h e y pr o vi d e k n o wl e d g e a b o ut h o w t o i n d u c e c h a n g e s i n f ar ml a n d m a n a g e m e nt wit h r e gi o n all y a d a pt e d s ol uti o n s, r e c o n cili n g h u m a n a p pr o pri ati o n of n at ur al r e s o ur c e s a n d bi o di v er sit y pr e s er v ati o n. U si n g t hi s t e c h - ni q u e, w e ai m at i d e ntif yi n g l e v er a g e p oi nt s s u c h a s c o n s u m pti o n or di et ar y c h a n g e s, s u b si di e s, or c erti fi c ati o n s c h e m e s t h at s u p p ort tr a n siti o ni n g fr o m c o n v e nti o n al f ar ml a n d m a n a g e m e nt t o l a n d s c a p e m ultif u n cti o n alit y, wit h t h e g o al t o r e a c h r e sili e nt l a n d s c a p e s f or bi o di v er sit y a n d p e o pl e. T hi s s y nt h e si s of n at ur al a s w ell a s s o ci al s ci e n c e k n o wl e d g e will b e u s e d t o i d e ntif y t h e b e st p o s si bl e i n str u m e nt s t h at s u p p ort b al a n ci n g a gri c ult ur al pr o d u cti o n, s oil s y st e m s, t err e stri al w at er b o di e s a n d bi o di v er sit y, q u a nti fi e d a n d s p e ci ff e d i n n o v el s c e n ari o s. O ur s y st e mi c u n d er st a n di n g a n d t h e n e w g e n er ati o n of e c o s y st e m m o d el s will e n a bl e pr oj e cti n g r el ati o n s hi p s u n d er n o n- a n al o g o u s c o n diti o n s t o tr a n sf er k n o wl e d g e a n d m o d el c o n c e pt s t o di fi er e nt g e o gr a p hi c r e gi o n s, w hi c h r el at e t o di fi er e nt cli m ati c sit u ati o n s ( a s st u di e s i n t h e Gl o b al C h a n g e E x p eri m e nt al F a cilit y – G C E F) or e v e n di fi er e nt s o ci o- e c o n o mi c c o nt e xt s ( s u c h a s v ari o u s c a s e st u di e s f or i n st a n c e i n E U pr oj e ct s li k e B E S T - M A P). A c o m m o n r e s ult of s y nt h e si s w or k will b e a m o d ul ar si m ul at or f or a gri c ult ur al l a n d s c a p e s u n d er tr a n si - ti o n ( L a n d Tr a n s A G RI) w hi c h st u di e s e c o s y st e m s d y n a mi c s i n r e s p o n s e t o cli m at e c h a n g e a n d h u m a n a cti viti e s ( c.f. M 5. 1 3- 3 ( 2 0 2 5) i n S T 5. 4 j oi ntl y wit h S T 5. 2 a n d S T 5. 5). Gi v e n t h at t h e n e wl y d e v el o p e d c o n c e pt s a n d m o d el s ar e e x pli citl y t ail or e d f or a p pli c ati o n s i n n o n- a n al o g o u s c o n diti o n s, w e i n v e sti g at e tr a n sf er a bilit y i n a wi d er g e o gr a p hi c r a n g e a n d ot h er w orl d r e gi o n s t o i d e ntif y o pti o n s p a c e s t h at r e c o n cil e pr o vi si o ni n g s er vi c e s ( e. g., f o o d, bi o e n er g y) a n d bi o di v er sit y pr ot e cti o n. W e e n vi si o n t o i m pl e m e nt r e s e ar c h pr oj e ct s i n h ot s p ot w orl d r e gi o n s t h at r e q u e st s u p p ort f or b o o sti n g yi el d s ( s u c h a s s u b- S a h ar a n Afri c a, A si a) b ut al s o m ai nt ai n bi o di v er sit y h ot s p ot s ( s u c h a s Br azil, M e xi c o, et c.). W e ai m at a di v er s e gl o b al n et w or k i n w hi c h s ol uti o n s t o t h e s u st ai n a bl e d e v el o p m e nt of l a n d m a n a g e m e nt i s i m pl e m e nt e d (f or i n st a n c e t hr o u g h o ut e xi sti n g GI Z c oll a b or ati o n s), w hi c h u n d er pi n s o ur gl o b al s c al e s ci e n c e- p oli c y s u p p ort i n a s s e s s m e nt s b y I P B E S a n d I P C C. D eli v er a bl e s ( D) a n d Mil e st o n e s ( M) • • • • D 5. 1 ( 2 0 2 4): C o n c e pt u al m o d el of E E V a n d E S V, c a p a bl e of d e ali n g wit h u n k n o w n st at e of t h e e c o s y st e m s. M 5. 1- 1 ( 2 0 2 2): I d e nti fi c ati o n of p ot e nti al n o v el e c o s y st e m st at e s. D 5. 2 ( 2 0 2 5): M o d ul ar si m ul at or f or a gri c ult ur al l a n d s c a p e s u n d er tr a n siti o n ( L a n d Tr a n s A G RI). M 5. 2- 1 ( 2 0 2 4): I n di c at or s f or a s s e s si n g s oil e c o s y st e m f u n cti o n s a n d s er vi c e s d e fl n e d. M 5. 2- 2 ( 2 0 2 4): I nt er a c- ti o n s of l a n d u s e c h a n g e wit h bi o di v er sit y a n d e c o s y st e m f u n cti o n s / s er vi c e s al o n g gr a di e nt s of l a n d u s e str u ct ur e a n d i nt e n sit y i d e nti ff e d. D 5. 3 ( 2 0 2 7): L e v er a g e p oi nt s / G er m a n m o d el r e gi o n s. M 5. 3- 1 ( 2 0 2 2): G er m a n m o d el r e gi o n s f or s ci e n c e p oli c y st a k e h ol d er i nt erf a c e s i d e nti fi e d. M 5. 3- 2 ( 2 0 2 6): K n o wl e d g e a n d m o d el c o n c e pt s tr a n sf err e d t o di ff er e nt g e o gr a p hi c r e gi o n s. D 5. 4 ( 2 0 2 6): N e w s c e n ari o s / pi ct ur e s of t h e f ut ur e. M 5. 4- 1 ( 2 0 2 4): I nt er a cti o n of l a n d u s e c h a n g e wit h bi o- di v er sit y a n d e c o s y st e m f u n cti o n s / s er vi c e s al o n g gr a di e nt s of l a n d u s e str u ct ur e a n d i nt e n sit y q u a nti fl e d. I nfr a str u ct ur e s a n d s p e ci fi c r e s o ur c e s. T h e E x p eri m e nt al R e s e ar c h St ati o n B a d L a u c h st ä dt, a n i nt er n a - ti o n al h u b f or e c ol o gi c al e x p eri m e nt s, all o w s m ulti- s c al e e x p eri m e nt al i n v e sti g ati o n s of di fi er e nt e c ol o gi c al s y st e m s. T h e e x p eri m e nt s ar e i n c or p or at e d i n s e v er al gl o b al n et w or k s ( e. g., Dr o u g ht- N et, N utri e nt- N et w or k) t o a n al yz e t h e e fi e ct s of dr o u g ht s, m ulti pl e n utri e nt s, a n d ot h er l a n d u s e a n d gl o b al c h a n g e i m p a ct s o n s p e ci e s c o m m u niti e s a n d e c o s y st e m s. T h e Gl o b al C h a n g e E x p eri m e nt al F a cilit y ( G C E F) i s a u ni q u e fi el d e x p eri m e nt t h at f a cilit at e s t h e i n v e sti g ati o n of t h e e fi e ct s of f ut ur e cli m ati c c o n diti o n s o n e c o s y st e m pr o c e s s e s u n d er di fi er e nt l a n d u s e s c e n ari o s. T hi s l o n g-t er m e x p eri m e nt st art e d i n 2 0 1 4 a n d i s pl a n n e d t o b e c o n d u ct e d f or at l e a st 1 5 y e ar s t o u n d er st a n d l o n g-t er m tr e n d s of c h a n g e s i n a gr o- e c o s y st e m s. C o o p er ati o n p art n er s. i Di v i s a pri m ar y str at e gi c p art n er of S T 5. 1 a s it s e x p erti s e i n bi o di v er sit y a n d e c o- s y st e m s ci e n c e c o m pl e m e nt e a c h ot h er. K e y p art n er s of o ur s oil s ci e n c e r e s e ar c h ar e 5 1 G er m a n i n stit uti o n s Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 4 3

T o pi c 5: L a n d s c a p e s of t h e F ut ur e: S e c uri n g t err e stri al e c o s y st e m s a n d fr e s h w at er r e s o ur c e s Fi g. 5. 3: S e c uri n g fr e s h w at er r e s o ur c e s a n d a q u ati c e c o s y st e m s. S T 5. 2 a n al yz e s d y n a mi c i nt err el ati o n s hi p s of cli m at e c h a n g e, p o p ul ati o n gr o wt h, a n d l a n d u s e c h a n g e s wit h s o ci eti e s, wit h t h e e n vir o n m e nt a n d h o w t h e l att er ulti m at el y ar e t hr e at e n e d wit h r e g ar d t o w at er s e c urit y. F or t hi s p ur p o s e, S T 5. 2 will d e v el o p i n n o v ati v e c o n c e pt s, m et h o d s, a n d m o d el s t o b e i n c or p or at e d i n L a n d Tr a n s a n d e n a bl e t h e c a u s al a n al y si s of i nt erli n k e d n at ur al a n d h u m a n el e m e nt s of t h e w at er c y cl e a cr o s s wi d e r a n g e s of s p ati al a n d t e m p or al s c al e s. Wit h t hi s t o ol s et, S T 5. 2 will d et er mi n e tr aj e ct ori e s t o w ar d s f ut ur e w at er l a n d s c a p e s t h at s e c ur e w at er r e s o ur c e s f or h u m a n n e e d s a n d h e alt h y a q u ati c e c o s y st e m s i n a b al a n c e d w a y f or a wi d e r a n g e of s o ci o- e c o n o mi c s etti n g s. A pill ar of o ur r e s e ar c h will b e t h e a n al y si s of h y dr ol o gi c al pr o c e s s e s, st at e s, a n d c h a n g e s fr o m pl ot s c al e s, o v er c at c h m e nt s t o c o nti n e nt al a n d gl o b al s c al e s . W e will i nt e gr at e n et w or k s of h y dr ol o gi c al m o n- it ori n g sit e s, m o bil e m o nit ori n g s y st e m s, s at ellit e o b s er v ati o n s, a n d l ar g e- s c al e m o d eli n g j oi ntl y wit h S T 5. 4. I n n o v ati o n s c o m pri s e a s s e s si n g w at er st or a g e c h a n g e s b y gr o u n d- b a s e d a n d s at ellit e gr a vi m etr y. G R A C E f oll o w- o n mi s si o n s ( G R A C E- F O) of s at ellit e gr a vi m etr y will pr o vi d e s u fi ci e ntl y l o n g ti m e s eri e s t o a s - s e s s l o n g-t er m v ari ati o n s a n d tr e n d s of t h e w at er c y cl e wit h i n cr e a si n g r e s ol uti o n, q u a ntif y a n d c o n si st e ntl y cl o s e t h e w at er b al a n c e, a n d d et er mi n e it s s p a c e-ti m e v ari a bilit y. W e will e st a bli s h t err e stri al gr a vi m etr y a s a n o v el h y dr ol o gi c al s e n s or s y st e m, u n d er st a n di n g t h e s p e ci fi c e x pr e s si o n of cli m at e c h a n g e i n h y dr ol o g y a n d s u b s e q u e nt pr o c e s s e s. T h e c o m bi n ati o n of t h e s e m o nit ori n g t e c h ni q u e s will p ut u s i n a p o siti o n t o d e v el o p c o m pr e h e n si v e i n di c at or s of e xtr e m e h y dr ol o gi c al e v e nt s b a s e d o n t ot al l a n d s c a p e w et n e s s at t h e r e gi o n al s c al e. T h e s e a n al y s e s will b e c o m pl e m e nt e d b y i s ot o p e- b a s e d m o nit ori n g of d y n a mi c tr a v el ti m e di stri b uti o n s a n d t h eir pr o c e s s- b a s e d m o d eli n g at l ar g e s c al e s. W e will i m pl e m e nt a r e gi o n al fi o o d m o d el c h ai n t o q u a ntif y i nt er a cti o n s a n d c h a n g e i n ff o o d ri s k s y st e m s i n or d er t o a s s e s s cli m at e a d a pt ati o n str at e gi e s a n d pr o vi d e w or st- c a s e s c e n ari o s a n d ri s k st at e m e nt s f or fi o o di n g i n G er m a n y li n k e d wit h T 1. D e ci p h eri n g t h e h y dr ol o gi c al, g e o c h e mi c al a n d bi ol o gi c al k e y pr o c e s s e s t h at ar e c o ntr olli n g c at c h - m e nt- s c al e w at er b u d g et s, s ol ut e tr a n s p ort a n d e c o s y st e m i nt er n al c o ntr ol s p ut s u s i n t h e f or efr o nt t o d e pl o y a n d f urt h er d e v el o p c o m pl e xit y-r e d u c e d w at er a n d m a s s fi u x m o d el s. T h e s e will h a v e a str o n g m e c h a ni sti c b a si s a n d w or k r eli a bl y f or a n al y s e s of gl o b al c h a n g e i m p a ct s. I n p arti c ul ar, t hi s r e s e ar c h pr o vi d e s t h e f u n d a - m e nt s f or t h e pr o c e s s- b a s e d m o d eli n g i n t h e a q u ati c m o d ul e s of t h e T 5 s y nt h e si s pr o d u ct L a n d Tr a n s j oi ntl y wit h S T 5. 4. T h e s e m o d eli n g t o ol s will all o w u s t o st u d y a n d q u a ntit ati v el y a s s e s s e c o s y st e m s’ d y n a mi c s i n Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 4 5

T o pi c 5: L a n d s c a p e s of t h e F ut ur e: S e c uri n g t err e stri al e c o s y st e m s a n d fr e s h w at er r e s o ur c e s T h e G R A C E- F O s at ellit e mi s si o n, i m pl e m e nt e d b y N A S A a n d G F Z a n d s u c c e s sf ull y l a u n c h e d i n M a y 2 0 1 8, c o n - ti n u e s t h e 1 5 + y e ar s’ l e g a c y of G R A C E, tr a c ki n g E art h’ s w at er m o v e m e nt a n d s urf a c e m a s s c h a n g e s a cr o s s t h e pl a n et. T h e r e s ol uti o n stri v e d f or i s r e gi o n al, i. e., a n or d er of m a g nit u d e 1 0, 0 0 0 k m 2 , a n d fr o m m o nt hl y i n ti m e f or l o n g-t er m a s s e s s m e nt s d o w n t o d ail y r e s ol uti o n f or n e ar-r e al-ti m e a p pli c ati o n s r el at e d t o e xtr e m e e v e nt s. A n ot h er e s s e nti al i nfr a str u ct ur e f or S T 5. 2 i s Z U G O G ( Z u g s pitz e G e o d y n a mi c O b s er v at or y G er m a n y), o p er at e d b y G F Z, a s p art of a gl o b al n et w or k of c urr e ntl y 4 0 o b s er v at ori e s wit h s u p er c o n d u cti n g gr a vi m etr y. It all o w s u s t o st u d y w at er st or a g e v ari ati o n s i n o n e of G er m a n y’ s m o st v ul n er a bl e ar e a s, i n cl u di n g gl a ci er s a n d m o u nt ai n p er m afr o st, t o cli m at e c h a n g e. C o o p er ati o n p art n er s. T e c h ni c al U ni v er sit y Dr e s d e n ( T U D) a s o n e of t h e l e a di n g t e c h ni c al u ni v er siti e s i n G er- m a n y i s c o n n e ct e d wit h U F Z a s a str at e gi c p art n er. C o m pl e m e nt ar y e x p erti s e c o m pri s e s ur b a n s y st e m s, m o - l e c ul ar li m n ol o g y, e n vir o n m e nt al m o nit ori n g, a n d g e o-i nf or m ati o n t e c h ni q u e s. I m p ort a nt n ati o n al c o o p er ati o n i n t h e fi el d of w at er a n d p oll ut a nt s h a s b e e n e v ol vi n g si n c e 2 0 1 0 wit h t h e u ni v er siti e s of T ü bi n g e n, St utt g art, a n d H o h e n h ei m. A c o m p et e n c e cl u st er o n W at er a n d E art h S y st e m S ci e n c e ( W E S S) w a s f o u n d e d t o i n v e sti g at e t h e d y n a mi c s of p oll ut a nt fi u x e s i n t h e l a n d s c a p e a n d t h eir i nt er c o n n e cti o n s wit h t h e at m o s p h er e, t h e s oil, a n d t h e gr o u n d w at er. I nt er n ati o n all y, t h e U ni v er sit y of Fl ori d a ( U F) a n d P ur d u e U ni v er sit y ( P U) ar e k e y str at e gi c p art n er s. T h e c o o p- er ati n g gr o u p s at U F f o c u s o n w at er r e s o ur c e s, a q u ati c e c o s y st e m h e alt h, a n d mi ni mizi n g h u m a n i m p a ct s o n n at ur al s y st e m s. P ur d u e U ni v er sit y ( U S A) i nt e gr at e s e n gi n e eri n g a n d s ci e n c e c o n c e pt s t o s ol v e m aj or e n vir o n - m e nt al pr o bl e m s u si n g a n e c ol o gi c al a p pr o a c h. Wit h r e g ar d t o s ci e n c e- p oli c y-i nt erf a c e s, U F Z h a s e st a bli s h e d m ulti-f a c et e d c o o p er ati o n wit h t h e G er m a n F e d - er al E n vir o n m e nt A g e n c y ( U B A) o n s ci e n c e a d v a n c e s f or i m pl e m e nti n g n ati o n al a n d E ur o p e a n e n vir o n m e nt al l e gi sl ati o n a n d f or d e v el o pi n g a l o n g-t er m w at er str at e g y f or G er m a n y. G F Z c o o p er at e s wit h t h e F e d er al O fi c e of Ci vil Pr ot e cti o n a n d Di s a st er A s si st a n c e ( B B K) o n e xtr e m e s, a n d wit h t h e F e d er al A g e n c y o n C art o gr a p h y a n d G e o d e s y ( B K G) o n gr a vi m etri c m o nit ori n g. Si n c e J a n u ar y 2 0 1 4, U F Z h a s l e d t h e E ur o p e a n T o pi c C e ntr e o n I nl a n d, C o a st al, a n d M ari n e w at er s ( E T C-I C M). E T C-I C M e st a bli s h e s a s e a ml e s s e n vir o n m e nt al i nf or m ati o n s y st e m t o a s si st t h e E U C o m mi s si o n, t h e E ur o p e a n E n vir o n m e nt al A g e n c y ( E E A), a n d E U m e m b er c o u ntri e s i n t h eir att e m pt s t o i m pr o v e t h e a q u ati c e n vir o n m e nt. U F Z t o g et h er wit h t h e U nit e d N ati o n s E n vir o n m e nt Pr o gr a m m e ( U N- E n vir o n m e nt, f or m er U N E P) i niti at e d a W orl d W at er Q u alit y Alli a n c e i n 2 0 1 8 m a n d at e d b y t h e U nit e d N ati o n s E n vir o n m e nt al A s s e m bl y i n 2 0 1 7 wit h t h e o bj e cti v e t o d e v el o p a c o m pr e h e n si v e gl o b al w at er q u alit y a s s e s s m e nt u ntil 2 0 2 5. Si n c e 2 0 0 2 G F Z h a s b e e n a p art n er i n t h e j oi nt U S- G er m a n G R A C E / G R A C E- F O S ci e n c e D at a S y st e m, t o g et h er wit h t h e J et Pr o p ul si o n L a b or at or y i n P a s a d e n a a n d t h e U ni v er sit y of T e x a s C e nt er f or S p a c e R e s e ar c h i n A u s - ti n, a n d l e a d s t h e E ur o p e a n G R A C E / G R A C E- F O S ci e n c e T e a m. Ri s k s a n d O p p ort u niti e s. D e ci p h eri n g t h e h y dr ol o gi c al, g e o c h e mi c al, a n d bi ol o gi c al k e y pr o c e s s e s t h at ar e c o ntr olli n g c at c h m e nt- s c al e w at er b u d g et s, s ol ut e tr a n s p ort, a n d e c o s y st e m i nt er n al c o ntr ol s m a y r e v e al g a p s i n pr o c e s s i d e nti ff c ati o n a n d s y st e m- s c al e a n al y si s. A p arti c ul ar ri s k f or p a n- E ur o p e a n a n d gl o b al u p s c ali n g ar e t h e p ot e nti al d at a, m o nit ori n g, a n d i nf or m ati o n g a p s. T h e s e g a p s will b e a d dr e s s e d b y i nt e n sif yi n g c oll a b - or ati o n s wit h S T 5. 4 a n d e x p a n di n g c o o p er ati o n b e y o n d o ur e xi sti n g n et w or k s. T h e o p p ort u nit y will b e t o p ut u s i n t h e f or efr o nt t o d e pl o y a n d f urt h er d e v el o p c o m pl e xit y-r e d u c e d w at er, m a s s fi u x, a n d h y dr o- e c ol o gi c al m o d el s wit h a str o n g m e c h a ni sti c b a si s, w hi c h ar e still tr a ct a bl e at l ar g e s c al e s a n d all o w r o b u st pr oj e cti o n s u n d er d at a a n d i nf or m ati o n s c ar cit y. S u bt o pi c 5. 3 N at ur al d y n a mi c s of t h e t err e stri al E art h s urf a c e s y st e m Ni el s H o vi u s, G F Z S c o p e a n d c h all e n g e s. A s t h e e fi e ct s of r a pi d, o n g oi n g gl o b al a n d cli m at e c h a n g e a n d t h e e x pl oit ati o n of E art h’ s l a n d s c a p e s, h a bit at s a n d bi ot a b e c o m e e v er m or e p al p a bl e, t h er e i s a n ur g e nt n e e d t o s e p ar at e t h e u n d erl yi n g n at ur al m e c h a ni s m s fr o m a n y pr o c e s s e s ori gi n ati n g i n h u m a n a cti vit y. I n t hi s c o nt e xt, w e a s k “ h o w d o pr o c e s s e s c o n n e cti n g t h e g e o s p h er e, at m o s p h er e, a n d bi o s p h er e d et er mi n e t h e n at ur al d y n a mi c of t h e E art h’ s t err e stri al s urf a c e s y st e m, a n d w hi c h ar e t h e pri n ci p al li mit s t o t h e st a bilit y of t hi s s y st e m ?” W e Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 4 7

T o pi c 5: L a n d s c a p e s of t h e F ut ur e: S e c uri n g t err e stri al e c o s y st e m s a n d fr e s h w at er r e s o ur c e s st a n di n g of t h e bi o g e o c h e mi c al pr o c e s s e s t h at r e g ul at e E art h’ s cli m at e, a n d iii) a n a bilit y t o f or e c a st tr aj e ct o - ri e s of r a pi d e n vir o n m e nt al c h a n g e i n s e n siti v e s y st e m s, e x p o s e d t o t h e e xtr e m e s of o n g oi n g cli m at e c h a n g e. T hi s all f e e d s i nt o t h e o v er all T o pi c a n d c o ntri b ut e s t o t h e d e fi niti o n of a nt hr o p o g e ni c i m p a ct s. W or k pr o gr a m. T o d et er mi n e h o w e xt er n al f or ci n g b y cli m at e a n d g e ol o gi c al pr o c e s s e s i s e x pr e s s e d i n t o p o gr a p h y, er o si o n, w e at h eri n g a n d mi cr o bi al tr ait s, a n d t o e n h a n c e o ur a bilit y t o i n v ert t h e s e m e a- s ur a bl e s f or i nf or m ati o n a b o ut p a st f or ci n g, w e will d e v el o p n o v el t e c h ni q u e s a n d m o d el s, a n d e x pl oit str o n g s p ati al gr a di e nt s i n f or ci n g, a n d e x c e pti o n al g e ol o gi c al ar c hi v e s. W e will d e v el o p n e w m et h o d s ( D 5. 3. 1) t o c o n str ai n t err e stri al s urf a c e attri b ut e s a n d pr o c e s s r at e s, mi cr o bi al bi o m ar k er pr o xi e s f or cli m at e a s s e s s m e nt, g e o c h e mi c al tr a c er s of fi ui d i n filtr ati o n, a n d i s ot o pi c t o ol s f or q u a nti ff c ati o n of w e at h eri n g a n d er o si o n; m et h - o d s f or m o nit ori n g E art h s urf a c e c o m p o siti o n fr o m o pti c al a n d h y p er s p e ctr al d at a ( E n M A P, P RI S M A); m et h o d s f or o bt ai ni n g s ei s m ol o gi c al a n d fi b er o pti c c o n str ai nt s o n s urf a c e pr o c e s s e s a n d pr o p erti e s; a n d hi g h-r e s ol u- ti o n m a s s s p e ctr o m etr y a n d pr o xi e s i n or g a ni c a n d i s ot o p e g e o c h e mi str y, i n cl u di n g p yr ol yti c H / C el e m e nt al p ar a m et er s, pl a nt a n d mi cr o bi al bi o m ar k er s, F T-I C R- M S or g a ni c c o m p o u n d cl a s si fi c ati o n, st a bl e m et al i s o - t o p e s, a n d c o s m o g e ni c r a di o n u cli d e a p pli c ati o n s. S e v er al of t h e s e t e c h ni q u e s will h a v e si g ni fi c a nt a p pli c ati o n s i n ot h er T o pi c s ( T 2, T 3, T 4, T 8). Ti m e- s eri e s o b s er v ati o n s of E art h s urf a c e st at e a n d pr o c e s s e s will b e o bt ai n e d i n s e n siti v e e n vir o n m e nt s. T o t hi s e n d, m ulti s e n s or n et w or k s f or hi g h-r e s ol uti o n m o nit ori n g of E art h s urf a c e pr o c e s s e s a n d pr o c e s s c a s c a d e s will b e u s e d t o yi el d m e c h a ni sti c i n si g ht a n d c ali br at e d f u n cti o n s li n ki n g cli m ati c a n d t e ct o ni c dri v er s a n d E art h s urf a c e pr o c e s s r e s p o n s e. S at ellit e m o nit ori n g of l a n d s urf a c e c o m p o - siti o n will tr a c k s oil r e s o ur c e s u n d er c h a n gi n g cli m at e a n d l a n d u s e. F urt h er, pr e di cti v e l a n d s c a p e e v ol uti o n m o d el s will gi v e i n si g ht i nt o h o w i nt er a cti o n s of cli m at e, t e ct o ni c s, s urf a c e pr o c e s s e s, a n d bi ot a ar e r e c or d e d i n t o p o gr a p h y a n d str ati gr a p h y. T o e n a bl e t hi s, w e s h all d e v el o p m e c h a ni sti c l a w s a n d n u m eri c al m o d el s f or b e dr o c k a n d gl a ci al l a n d s c a p e s; u s e c o u pl e d r e c or d s of p a st cli m at e, t e ct o ni c, v e g et ati o n, bi o di v er sit y a n d l a n d s c a p e c h a n g e t o t e st d y n a mi c pr o c e s s e s i n cl u d e d i n cli m at e m o d el s a n d i s ol at e i m p a ct s of i n di vi d u al dri v er s; a n d i m pl e m e nt o pti m all y p ar a m et eriz e d a n d c o m p ut ati o n all y e fi ci e nt E art h s urf a c e pr o c e s s m o d el s, d e si g n e d t o g et h er wit h S T 5. 4. Fi n all y, w e will d eli v er a q u a ntit ati v e u n d er st a n di n g of t h e f u n cti o n al bi o di v er sit y i n i niti al a n d e xtr e m e s urf a c e e n vir o n m e nt s, s u p p ort e d b y a c at al o g of str ai n c oll e cti o n s of mi cr o or g a ni s m s, a n d mi cr o bi al c o m m u nit y i n v e nt ori e s f or s y st e m s i m p a ct e d b y t e ct o ni c a n d cli m ati c p ert ur b ati o n s. C o n diti o n s s u b st a nti all y w ar m er t h a n pr e s e nt h a v e pr e v ail e d at ti m e s i n t h e r e c e nt g e ol o gi c al p a st, i n cl u d- i n g MI S 1 1 a n d MI S 5. T o pr o b e E art h s urf a c e d y n a mi c s u n d er s u c h c o n diti o n s, a n d t o d et er mi n e h o w e fl e ct s of r a pi d cli m at e c h a n g e pr o p a g at e t hr o u g h t h e t err e stri al s urf a c e s y st e m , w e will p er u s e pr e ci s el y d at e d s e di m e nt a n d bi ol o gi c al ar c hi v e s t hr o u g h o ut E ur o p e a n d a dj a c e nt r e gi o n s t o r e c o n str u ct h y dr o- m et e or ol o gi c al c o n diti o n s, e c o s y st e m c o m p o siti o n, er o si o n, a n d w e at h eri n g r at e s, u si n g pr o xi e s t u n e d o n m o d er n s y st e m s. T hi s will yi el d c ali br at e d f u n cti o n s li n ki n g h y dr o m et e or ol o gi c al c h a n g e s t o t h eir s e di m e nt ar y a n d bi ol o gi c al r e c or d s; m e c h a ni sti c r e c o n str u cti o n s of cli m at e- dri v e n ti p pi n g p oi nt s i n e c o- g e o m or p hi c s y st e m s; a n d c o m - pr e h e n si v e e n vir o n m e nt al r e c o n str u cti o n s of p a st w ar m i nt er v al s d uri n g t h e H ol o c e n e a n d ot h er i nt er gl a ci al s. T hi s r e s e ar c h will c o m pl e m e nt a n d b e n e fft fr o m w or k i n T 2 o n cli m at e m e c h a ni s m s i n t h e s e s a m e p eri o d s. T o e x pl or e a n d c o n str ai n t h e li n k s b et w e e n er o si o n, c h e mi c al w e at h eri n g, a n d mi cr o bi al a cti vit y t h at d et er mi n e e c o s y st e m str u ct ur e a n d m att er fi u x e s at E art h’ s s urf a c e, w e will c o m bi n e ff el d a n d l a b or at or y o b s er v ati o n s. N e wl y d e v el o p e d st a bl e i s ot o p e a n d c o s m o g e ni c n u cli d e m et h o d s will b e u s e d t o fl n g er pri nt a n d d et er mi n e r at e s of s urf a c e pr o c e s s e s. I n a d diti o n, w e will c h ar a ct eriz e or g a ni c m att er at t h e m ol e c ul ar l e v el a n d tr a c k it al o n g tr a n s p ort p at h w a y s, a n d u s e mi cr o bi ol o gi c al m et h o d s t o e x pl or e t h e m e c h a ni s m s a n d i m p a ct of mi cr o bi all y m e di at e d w e at h eri n g. T hi s w or k will r e s ult i n a n u n d er st a n di n g of r o c k-lif e i nt er a cti o n s fr o m t h e E art h’ s s urf a c e t o t h e d e e p u n d er gr o u n d, e n a bl e d b y drilli n g t h e d e e p bi o s p h er e al o n g a cli m at e gr a- di e nt a n d i n a n a cti v e f a ult s y st e m. It will yi el d c o n str ai nt s o n t h e mi cr o bi al f u n cti o n s a n d tr ait s t h at c o ntr ol s oil f or m ati o n a n d st a biliz e t h e E art h’ s s urf a c e (li n k wit h S T 1). M or e o v er, w e will d eli v er a n u n d er st a n di n g of mi n er al n utri e nt c y cl e s i n c o u pl e d pl a nt- mi cr o or g a ni s m-r o c k s y st e m s, ai d e d b y m a s s s p e ctr o m etr y of n o v el i s ot o p e s y st e m s t o fi n g er pri nt bi o g e o c h e mi c al el e m e nt c y cl e s. N ot a bl y, w or k i n t hi s ar e a will q u a ntif y s e di- m e nt, c ar b o n a n d s ol ut e fi u x e s fr o m c o nti n e nt al s o ur c e s i nt o c o a st al s y st e m s a n d t h e o c e a n s (i n p ut f or T 2, T 4 a n d pl a n n e d C T A E art h s y st e m t hr e s h ol d s a fi e cti n g C O 2 ). T hi s will r el y o n m e a s ur e m e nt s of tr a n sit ti m e s a n d l o c ati o n, d ur ati o n a n d e fi e ct s of st or a g e of m o bil e m a s s, a n d will yi el d i n si g ht s i nt o c h a n g e s i n gl o b al s e di m e nt c y cl e s i n g e ol o gi c al ti m e. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 4 9

T o pi c 5: L a n d s c a p e s of t h e F ut ur e: S e c uri n g t err e stri al e c o s y st e m s a n d fr e s h w at er r e s o ur c e s Bi ol o gi c al R e s e ar c h ( G e o Bi o L a b), t h e A WI A n ci e nt D N A L a b or at or y, t h e T E R E N O- N E o b s er v at or y, t h e C e ntr al A si a o b s er v at or y, t h e T ar o k o O b s er v at or y f or E xtr e m e E art h S urf a c e D y n a mi c s i n T ai w a n, t h e S a m o yl o v R e - s e ar c h St ati o n i n t h e L e n a d elt a, a n d a n et w or k of sit e s f or l o n g-t er m m o nit ori n g of g e o s p h er e- at m o s p h er e e n er g y, w at er, a n d G H G e x c h a n g e s i n t h e Ar cti c a n d G er m a n y, s u p p ort e d b y A WI P ol ar Air cr aft. E s s e nti al g e o - d eti c a n d h y p er s p e ctr al d at a u n d er pi n ni n g t hi s r e s e ar c h will c o m e fr o m G F Z- c o or di n at e d s at ellit e mi s si o n s, i n cl u di n g G R A C E- F O a n d E n M A P. C o o p er ati o n p art n er s. K e y p art n er s hi p s i n cl u d e t h e G e o. X n et w or k of g e o s ci e n c e i n stit ut e s i n t h e B erli n a n d Br a n d e n b ur g r e gi o n s u p pl yi n g c o m pl e m e nt ar y e x p erti s e a n d i n str u m e nt ati o n; t h e C e ntr al A si a n I n stit ut e f or A p pli e d G e o s ci e n c e s C AI A G p art n eri n g r e gi o n al h y dr ol o gi c al a n d cr y o s p h eri c r e s e ar c h; R u s si a n i n stit uti o n s h el pi n g s e c ur e c o nti n uit y of p er m afr o st e c o s y st e m r e s e ar c h; t h e A c a d e mi a Si ni c a a n d t h e N ati o n al T ai w a n U ni v er sit y, p art n eri n g i n t h e T ar o k o o b s er v at or y; a n d Ar g e nti n e a n a n d C hil e a n u ni v er sit y p art n er s i n r e s e ar c h i nt o l a n d s c a p e e v ol uti o n a n d criti c al z o n e d y n a mi c s i n S o ut h A m eri c a. Ri s k s a n d O p p ort u niti e s. Ri s k s t o pl a n n e d r e s e ar c h d eri v e pri m aril y fr o m d el a y, f ail ur e, or pr e m at ur e t er- mi n ati o n of m aj or i nfr a str u ct ur e a n d d at a mi s si o n s. T h e l a u n c h of t h e E n M A P mi s si o n i s s c h e d ul e d f or 2 0 2 0; d el a y or f ail ur e will b e c o m p e n s at e d b y a s hift of f o c u s t o gr o u n d- b a s e d a n d air b or n e h y p er s p e ctr al mi s si o n s. T h e o n g oi n g G R A C E- F O mi s si o n i s yi el di n g d at a t h at will, t o g et h er wit h 1 5 + y e ar s of G R A C E ti m e s eri e s, s u p - p ort o ur pl a n n e d r e s e ar c h u ntil t h e e n d of t h e Pr o gr a m p eri o d, e v e n i n t h e e v e nt of pr e m at ur e t er mi n ati o n. D eli v er y of t h e G e o Bi o L a b, e x p e ct e d f or 2 0 2 0, will pl a c e u s at t h e f or efr o nt of g e o mi cr o bi ol o gi c al r e s e ar c h. E st a bli s h m e nt of a c o m pr e h e n si v e d ati n g f a cilit y f or E art h s urf a c e m at eri al s w o ul d str at e gi c all y i m pr o v e t h e e fi ci e n c y a n d fi e xi bilit y of r e s e ar c h i n t hi s T o pi c. S u bt o pi c 5. 4 S M A R T m o d el s a n d m o nit ori n g S a bi n e Atti n g er, U F Z S c o p e a n d c h all e n g e s. R e gi o n al h y dr o- m et e or ol o gi c al pr oj e cti o n s i n di c at e a n i n cr e a si n g fr e q u e n c y a n d str e n gt h of h e at w a v e s a n d dr o u g ht s, e. g., i n S o ut h er n a n d C e ntr al E ur o p e. T hi s will r e s ult i n m or e pr o n o u n c e d l o w- fi o w sit u ati o n s i n ri v er s, str o n g er a n d l o n g er s oil dr o u g ht s, l e s s gr o u n d w at er r e c h ar g e a s w ell a s s e v er e ur b a n h e at sit u ati o n s a n d hi g h er ri v er t e m p er at ur e s i n s u m m er. T h e i m p a ct s o n e c o s y st e m s, h u m a n h e alt h, a n d t h e e c o n o m y s e e m t o b e si g ni ff c a nt d u e t o e. g., l o s s e s i n cr o p yi el d s, e xtr e m e str e s s o n a q u ati c s y st e m s, hi g h er c ar b o n r el e a s e s fr o m s oil s, a n d m or e p e st i nf e st ati o n s i n f or e st s y st e m s. Cr o s s- s e ct or al e fi e ct s n e e d t o b e c o n si d er e d, li k e r e d u c e d (ri v er) c o oli n g c a p a citi e s f or p o w er pl a nt s, hi g h er e n er g y d e m a n d f or air c o n diti o n s y st e m s, a n d hi g h er ri s k s f or c ar di o v a s c ul ar di s e a s e s. O n e bi g c h all e n g e i s t o d eli v er t err e stri al m o d el s y st e m s wit h a n a d e q u at e c o m pl e xit y. O n t h e o n e h a n d t h e y n e e d t o b e s e a ml e s sl y c o n n e ct e d t o G e n er al Cir c ul ati o n M o d el s ( G C M) of t h e cli m at e m o d eli n g c o m m u- nit y a n d, o n t h e ot h er h a n d, t h e y n e e d t o pr o vi d e t h e n e c e s s ar y d et ail s f or ( m ulti- s e ct or al) r e gi o n al i m p a ct a s s e s s m e nt s a n d a d a pt ati o n st u di e s. M or e o v er, t h e s e m o d el s n e e d t o b e ‘ si m pl e’ e n o u g h t h at t h e a v ail a bl e d at a i s a d e q u at e f or s etti n g r o b u st p ar a m et er s f or t h e m o d el s, b ut al s o ‘ c o m pl e x’ ( or m e c h a ni sti c) e n o u g h t o b e tr a n sf err e d t o ot h er r e gi o n s a n d s c al e s a n d pr o vi d e r eli a bl e pr e di cti o n s ( w e c o n si d er t hi s t h e d e fi niti o n f or S M A R T – S c al a bl e, M e c h a ni sti c, of A d a pt e d c o m pl e xit y, R o b u st a n d Tr a n sf er a bl e). M or e o v er, all r e gi o n al m o d el s s u fi er fr o m a c hr o ni c l a c k of d et ail e d pr o c e s s k n o wl e d g e a n d s p e ci fi c d at a t o p ar a m etriz e t h e s e m o d el s. T h er ef or e, all r el e v a nt pr o c e s s e s a n d p att er n s n e e d t o b e o b s er v e d u si n g m o d- el- dri v e n m o nit ori n g a p pr o a c h e s, i. e., t h e l a y o ut of t h e m o nit ori n g h a s t o b e d e si g n e d t o o pti miz e t h e pr e di c- ti v e a bilit y of m o d el s s p e ci fl c all y. I n or d er t o o p er at e t h e s e hi g h-r e s ol uti o n m o d el c h ai n s f or pr oj e cti o n p eri o d s of 5 0 – 1 0 0 y e ar s, w e n e e d t o e m pl o y s u p er c o m p ut er s a n d al s o q u a nt u m t e c h n ol o gi e s i n f ut ur e – a p ot e nti al f ut ur e k e y t e c h n ol o g y t h at i s n ot y et d e v el o p e d i n t h e t err e stri al m o d eli n g. T hi s r e s ult s i n e x p o n e nti all y i n cr e a si n g v ol u m e s of o ut p ut d at a ( bi g d at a) w hi c h ar e h ar d t o b e a n al yz e d c o n v e nti o n all y. T h er ef or e, w e n e e d t o d e v el o p m ulti-t h e m ati c d at a r e p o sit ori e s, a p pl y s e a ml e s s w or k ff o w s a n d n e w m a c hi n e / d e e p l e ar ni n g m et h o d s t o e xtr a ct u s a bl e d at a i nf or m ati o n. I n or d er t o i m pr o v e t h e m o d el e fi ci e n c y, f ut ur e d at a- s ci e n c e m et h o d s will b e h el pf ul t o a d v a n c e c urr e nt m o d el s t hr o u g h d at a- dri v e n m o d eli n g c o m p o n e nt s. T h e r e s ulti n g h y bri d m o d el s will b e l e s s c o m pl e x b ut ar e i nt e n d e d t o d eli v er still g o o d pr e di cti o n s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 5 1

T o pi c 5: L a n d s c a p e s of t h e F ut ur e: S e c uri n g t err e stri al e c o s y st e m s a n d fr e s h w at er r e s o ur c e s • L a n d T r a n s i s a n o v er all T 5 s y nt h e si s pr o d u ct a n d will s y nt h e siz e t h e o ut c o m e s of m o d eli n g a cti viti e s w hi c h r u n i n c oll a b or ati o n wit h t h e ot h er T o pi c s a n d S u bt o pi c s. S T 5. 4 c o ntri b ut e s t o T 5’ s r e s e ar c h s u bj e ct s b y it s j oi nt m o d el d e v el o p m e nt, d at a c oll e cti o n s, a n d a p pli c ati o n of d at a s ci e n c e m et h o d s. W or k pr o gr a m. S M A R T M o d eli n g M et h o d ol o g y f or pr o vi di n g n e xt- g e n er ati o n t err e stri al s y st e m s m o d - el s ( T E M S): U F Z m o d el d e v el o p er s fr o m di fi er e nt t err e stri al E art h c o m p art m e nt s cr e at e d t h e S M A R T c o n c e pt t o s ol v e t h e dil e m m a b et w e e n g e n er alit y a n d pr e di ct a bilit y of r e gi o n al e n vir o n m e nt al m o d el s (j oi ntl y wit h S T 5. 1, S T 5. 2, a n d S T 5. 3). T hi s c o n c e pt i s alr e a d y i m pl e m e nt e d i n t h e h y dr ol o gi c al m o d el m H M a n d t h e f or e st m o d el F O R MI N D . It will b e e xt e n d e d t o t h e w h ol e T E M S si m ul ati n g w at er, e n er g y a n d m att er fi u x e s a n d st or a g e s al s o t a ki n g bi o di v er sit y a s p e ct s i nt o a c c o u nt f or w h ol e c o nti n e nt s i n a s p ati al r e s ol uti o n of at l e a st 1 k m 2 . T h e e fi ort will l e a d e. g., t o hi g h-r e s ol uti o n m ulti s c al e pr oj e cti o n s of w at er q u alit y a n d a q u ati c e c o s y st e m st at u s f or w h ol e E ur o p e b y m e a n s of t h e m ulti s c al e W at er Q u alit y M o d el m W Q M (j oi ntl y wit h S T 5. 1, S T 5. 2, S T 5. 3, T 1, T 3, T 4), b ut will al s o all o w pr oj e cti n g c o m bi n e d dr o u g ht a n d h e at e ff e ct s o n cr o p yi el d s, w at er st or a g e a n d q u alit y, a s w ell a s o n w at er t e m p er at ur e s i n fi u e n ci n g t h e c o oli n g c a p a cit y of ri v er s y st e m s or o n e c o s y st e m h e alt h d u e t o p e st i nf e st ati o n s. T h e r e s ult s will b e m a d e a v ail a bl e a n d u s a bl e f or st a k e h ol d er s a n d d e ci si o n- m a k er s t hr o u g h t h e o v er all T o pi c s y nt h e si s pr o d u ct L a n d Tr a n s , t h e m o d ul ar si m ul at or of l a n d tr a n siti o n s. M o d el- dri v e n m o nit ori n g str at e gi e s. R el e v a nt d at a s et pr o vi si o n, m o d el- dri v e n m o nit ori n g str at e gi e s, a n d s a m- pli n g d e si g n s f or r e gi o n alizi n g l o c al m e a s ur e m e nt d at a, a s w ell a s h ar m o niz e d d at a m a n a g e m e nt c o n c e pt s, ar e cr u ci al f or T E M S d e v el o p m e nt. Si n c e s oil m oi st ur e i s a k e y v ari a bl e f or h y dr ol o g y a n d al s o f or t err e stri al e c o s y s - t e m s, t h e fir st G er m a n- wi d e m e a s ur e d hi g h-r e s ol uti o n s oil m oi st ur e pr o d u ct i s pl a n n e d u si n g l o c al a n d m o vi n g c o s mi c r a y s e n s or t e c h ni q u e s, t o g et h er wit h AI- dri v e n r e gi o n aliz ati o n a n d d o w n s c ali n g a p pr o a c h e s. T h e m o ni - t ori n g a cti viti e s al s o i n cl u d e t h e d e v el o p m e nt of a n a d v a n c e d bi o di v er sit y m o nit ori n g (j oi ntl y wit h S T 5. 1). S T 5. 4 will, t h er ef or e, e n a bl e S M A R T w a y s of d at a t o m o d el w or k fi o w s fr o m t err e stri al e n vir o n m e nt al a n d e c ol o gi c al l o n g-t er m o b s er v ati o n s (i n p ut t o a n d j oi ntl y wit h S T 5. 1, S T 5. 2) b y e n h a n ci n g e xi sti n g m o nit ori n g c o n c e pt s t o m o d- el- dri v e n p er s p e cti v e s, a n d e st a bli s h a r e gi o n al R e m ot e S e n si n g C e nt er t o g et h er wit h t h e U ni v er sit y of L ei pzi g. M ulti-t h e m ati c d at a r e p o sit ori e s a n d m a c hi n e-l e ar ni n g i n s pir e d d at a a n al y si s. F or t h e o pti m al d at a t o m o d el fi o w c h ai n s, it i s e s s e nti al t o h a v e hi g h- q u alit y r e s e ar c h d at a m a n a g e m e nt wit h o pti m al w or k fl o w s, fr o m s e n s or s t o f ull i nf or m ati o n, f oll o wi n g pr o mi n e nt i nt er n ati o n al st a n d ar d s li k e F AI R ( Fi n d a bl e, A c c e s si bl e, I nt er o p er a bl e, R e- u s a bl e, i n p ut t o all S u bt o pi c s, j oi ntl y wit h S T 5. 1, S T 5. 2). H er e wit h, t h e g e n er ati o n a n d a p- pli c ati o n of m ulti-t h e m ati c d at a r e p o sit ori e s f or m o d el e d a n d o b s er v e d d at a pl a y a n e s s e nti al r ol e. F or t hi s, S T 5. 4 will pr e p ar e t h e r el e v a nt l o c all y a n d r e m ot el y s e n s e d a s w ell a s m o d el e d d at a fr o m m ulti pl e s o ur c e s i nt o a n al y si s-r e a d y d at a s et s. T hi s will b e a c hi e v e d b y ff e xi bl e a n d s c al a bl e m et h o d s pr e p ari n g a M a c hi n e L e ar ni n g R e a d y D at a b a s e f or t h e c o m pl e x q u er yi n g of t h e r e p o sit ori e s (i n p ut t o a n d p artl y j oi ntl y wit h S Ts 5. 1 t o 5. 5) a n d s etti n g- u p w or k fi o w s t o a p pl y d at a a n al y si s a n d mi ni n g m et h o d s t o t h e s e d at a b a s e s. T hi s e n a bl e s a n o p - ti m al e xtr a cti o n of v ari a bl e s t h at e x pl ai n a n d dri v e o b s er v e d p h e n o m e n a (j oi ntl y wit h T 4). T h e s e v ari a bl e s ar e t h e n b uilt vi a d e e p l e ar ni n g m et h o d s i nt o r o b u st pr e di cti o n m o d eli n g s y st e m s a n d will o ut p erf or m m e c h a ni sti c m o d el s i n t er m s of e ff ci e n c y. T h e e sti m ati o n of s e ct or al a n d r e gi o n al i m p a ct s b y e st a bli s h m e nt of g o al- ori e nt e d hi g h-r e s ol uti o n m o d el c h ai n s. Hi g h- pr e ci si o n pr oj e cti o n s a s s e s si n g e s p. t h e i m p a ct of h y dr o- m et e or ol o gi c al e xtr e m e s r e q uir e f or mi n g g o al- ori - e nt e d hi g h-r e s ol uti o n i m p a ct m o d el c h ai n s a s w ell a s t h e u s a g e of n e w s oft w ar e t e c h n ol o gi e s a n d n e xt- g e n er a - ti o n c o m p uti n g p o w er, i. e., e x a s c al e a n d q u a nt u m c o m p uti n g, t o r u n t h e s e d e m a n di n g T E M S c o d e s e fl ci e ntl y. F urt h er m or e, t h e c oll a b or ati o n b et w e e n t h e S u bt o pi c s will b e of f o c u s b y p erf or mi n g c o u pl e d m o d el r u n s, d e - si g ni n g a p pr o pri at e i nt erf a c e s t o i m p a ct m o d el s, m a k e a s s e s s m e nt s of cli m at e-r el at e d ri s k s a n d v ul n er a biliti e s a cr o s s s e ct or s, a n d i n v e sti g at e a d a pt ati o n str at e gi e s s c e n ari o s u n d er gl o b al c h a n g e. F a st, r o b u st d at a- dri v e n m o d el s tr ai n e d o n b ot h T E M S a n d o b s er v ati o n d at a will b e i m pl e m e nt e d i n t h e m o d ul ar si m ul at or L a n d Tr a n s a n d h e n c e e n a bl e t o d e v el o p m a n a g e m e nt o pti o n s or i nfr a str u ct ur al pl a n ni n g, li k e e. g., n e w m a n a g e m e nt pl a n s f or r e s er v oir s t o m e et f ut ur e ( dri n ki n g) w at er n e e d s. T h e a cti viti e s ar e al s o hi g hl y c o n n e ct e d t o e st a bli s h e d f ut ur e a cti viti e s of E art h s y st e m m o d eli n g wit hi n t h e H el m h oltz A s s o ci ati o n ( e. g., Pil ot & J L- E x a E S M). D eli v er a bl e s ( D) a n d Mil e st o n e s ( M) • D 5. 1 3 ( 2 0 2 7): I m p a ct st u di e s wit h t h e S M A R T T err e stri al E n vir o n m e nt al M o d eli n g S y st e m ( L a n d Tr a n s A G RI a n d m W Q M). M 5. 1 3- 1 ( 2 0 2 3): S M A R T C o n c e pt. M 5. 1 3- 2 ( 2 0 2 5): m W Q M. M 5. 1 3- 3 ( 2 0 2 5): L a n d Tr a n s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 5 3

T o pi c 5: L a n d s c a p e s of t h e F ut ur e: S e c uri n g t err e stri al e c o s y st e m s a n d fr e s h w at er r e s o ur c e s Fi g. 5. 6: S T 5. 5 a s s e s s e s s o ci et al i m p a ct s a n d s o ci et al dri v er s of e n vir o n m e nt al c h a n g e wit h a f o c u s o n s o ci al b e h a vi or a n d g o v er n a n c e str u ct ur e s. C o u pli n g s u c h i n si g ht s wit h m o d el- b a s e d pr e di cti o n s d e v el o p e d i n ot h er S u bt o pi c s, S T 5. 5 i s i n a u ni q u e p o siti o n t o e x pl or e tr a n sf or m ati o n p at h w a y s t o s u st ai n a bilit y, e s p e ci all y i n t h e fi el d s of bi o di v er sit y a n d e c o s y st e m s er vi c e s, r e n e w a bl e e n er gi e s, w at er r e s o ur c e s, a n d ur b a n d e v el o p m e nt. T E E B, I P B E S), S T 5. 5 will a n al yz e c o nt e xt- s p e ci fi c k n o wl e d g e n e e d s a s w ell a s i m pl e m e nt ati o n c h all e n g e s. P oli c y s ol uti o n s t h at d eli v er t a n gi bl e r e s ult s f or a c hi e vi n g a n d m a n a gi n g m ultif u n cti o n al l a n d s c a p e s a n d t h eir r e s o ur c e s will b e d e si g n e d. M ai n o bj e cti v e s. • • • • U n d er st a n d t h e r ol e of h u m a n a n d s o ci et al b e h a vi or, a s w ell a s g o v er n a n c e str u ct ur e s f or tr a n sf or m ati o n s t o w ar d s m ultif u n cti o n al l a n d s c a p e s; i d e ntif y u ni nt e n d e d si d e- e fi e ct s, s y n er gi e s, tr a d e- o fi s, a n d p ar a d o x e s wit hi n a n d b et w e e n tr a n sf or m ati o n ff el d s. S y nt h e siz e t h e or eti c al- c o n c e pt u al a p pr o a c h e s of s o ci o- e n vir o n m e nt al tr a n sf or m ati o n s a n d e m piri c al i n - si g ht s fr o m, f or e x a m pl e, t h e G er m a n E n er gi e w e n d e or t h e p ar a di g m c h a n g e br o u g ht a b o ut b y t h e E U W a- t er Fr a m e w or k Dir e cti v e, t o e x pl or e t h e s p e ctr u m of pr e c o n diti o n s a n d b ottl e n e c k s f or s u c c e s sf ul tr a n s- f or m ati o n s t o w ar d s m ultif u n cti o n al l a n d s c a p e s. A d v a n c e pi ct ur e s of ur b a n f ut ur e s u n d er c o n diti o n s of gl o b al e n vir o n m e nt al c h a n g e b y d e v el o pi n g a n i n - t e gr at e d fr a m e w or k t o c o m pr e h e n si v el y a s s e s s t h e r e sili e n c e of citi e s a n d c o- d e si g n s ol uti o n s o n h o w t o e n h a n c e t h eir c o pi n g, a d a pti v e a n d tr a n sf or m ati v e c a p a citi e s. C o m pl e m e nt t h e L a n d Tr a n s si m ul at or b y a s s e s si n g a nt hr o p o g e ni c dri v er s a n d r e s p o n s e s t o e n vir o n m e nt al a n d s o ci et al c h a n g e; i n cl u d e st a k e h ol d er a n d pr a ctiti o n er k n o wl e d g e i n or d er t o d e v el o p p oli c y o pti o n s. W or k pr o gr a m. E n h a n ci n g e c o s y st e m s er vi c e o p p ort u niti e s i n m ultif u n cti o n al l a n d s c a p e s. O ur r e s e ar c h o n a gri c ult ur al l a n d s c a p e s r e c o g niz e s t h at t h e m u c h- n e e d e d b e h a vi or al c h a n g e of r el e v a nt a ct or s r e q uir e s s uit a bl e p oli c y i n str u- m e nt s t o cr e at e a d e q u at e c o n diti o n s (‘ e c o s y st e m s er vi c e o p p ort u niti e s’) t o m o v e t o w ar d s s u st ai n a bl e l a n d u s e. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 5 5

T o pi c 5: L a n d s c a p e s of t h e F ut ur e: S e c uri n g t err e stri al e c o s y st e m s a n d fr e s h w at er r e s o ur c e s • • • D 5. 1 8 ( 2 0 2 7): S c e n ari o s, i n di c at or s a n d g o v er n a n c e arr a n g e m e nt s f or r e n e w a bl e r e s o ur c e s a n d e n er gi e s ( bi o e n er g y, wi n d, a n d s ol ar). M 5. 1 8- 1 ( 2 0 2 2): S p ati all y e x pli cit m o d eli n g a n d lif e c y cl e a s s e s s m e nt of r e n e w a bl e r e s o ur c e s a n d e n er g y at t h e l a n d s c a p e l e v el i n G er m a n y (i n p ut L a n d Tr a n s). M 5. 1 8- 2 ( 2 0 2 4): A n al y si s of dri v er s, i m p a ct s, a n d g o v er n a n c e o pti o n s f or a s u c c e s sf ul tr a n sf or m ati o n of t h e G er m a n e n er- g y s y st e m. M 5. 1 8- 3 ( 2 0 2 6): P oli c y r e c o m m e n d ati o n s f or a c hi e vi n g t h e S D G s f or r e n e w a bl e e n er gi e s a n d r e n e w a bl e r e s o ur c e s. D 5. 1 9 ( 2 0 2 6): S o ci et al dri v er s a n d p oli c y o pti o n s f or w at er m a n a g e m e nt. M 5. 1 9- 1 ( 2 0 2 4): S o ci o- h y dr o- l o gi c al m ulti- a g e nt m o d eli n g t o a s s e s s cli m at e-r el at e d v ul n er a biliti e s a n d t o i d e ntif y a d a pt ati o n str at e gi e s i n t h e f o o d- w at er- e n er g y n e x u s (i n p ut t o L a n d Tr a n s). M 5. 1 9- 2 ( 2 0 2 4): C o- d e si g n e d s ol uti o n s f or ‘ bl u e- gr e e n’ ur b a n w at er i nfr a str u ct ur e s. M 5. 1 9- 3 ( 2 0 2 5): S y st e mi c a n al y si s of m a n a gi n g m ulti pl e w at er p oll ut- a nt s (i n p ut t o M A C E). D 5. 2 0 ( 2 0 2 6): D e ci si o n- m a ki n g pr o c e s s e s a n d p oli c y i n str u m e nt s f or m a ki n g r e sili e nt citi e s. M 5. 2 0- 1 ( 2 0 2 4): D e v el o p m e nt a n d a s s e s s m e nt of cli m at e a d a pt ati o n str at e gi e s f or ur b a n ar e a s. M 5. 2 0- 2 ( 2 0 2 4): D et e cti o n of e m er gi n g p ar a d o x e s fr o m att e m pt s t o a c hi e v e c o n fii cti n g s o ci et al g o al s ( e. g., S D G s). M 5. 2 0- 3 ( 2 0 2 4): Li n e u p of tr a n sf or m ati o n p at h w a y s f or r e s o ur c e- e fi ci e nt, li v a bl e, a n d r e sili e nt ur b a n ar e a s. • D 5. 2 1 ( 2 0 2 7): I d e ntif y b arri er s a n d c at al y st s of tr a n sf or m ati o n s t o w ar d s s u st ai n a bilit y. C o o p er ati o n p art n er s. Wit h o ur str at e gi c p art n er D e ut s c h e s Bi o m a s s ef or s c h u n g s z e ntr u m – D B F Z w e e x c h a n g e d at a a n d m o d el r e s ult s f or a wi d e r a n g e of bi o m a s s / bi o e n er g y t e c h n ol o gi e s a n d f a cilit at e a c c e s s t o t h e e n er g y a n d a gri c ult ur al s e ct or s ( F e d er al Mi ni stri e s of F o o d a n d A gri c ult ur e, f or E c o n o mi c A fi air s a n d E n er g y, a n d of Tr a n s p ort a n d Di git al I nfr a str u ct ur e). Wit h o ur p art n er s at Utr e c ht U ni v er sit y , t h e S wi s s W at er R e s e ar c h I n stit ut e E A W A G , a n d H ar v ar d U ni v er sit y ( S. J a s a n o ff), w e a d v a n c e tr a n sf or m ati o n c o n c e pt s t h at f o st er i n n o v ati v e p at h w a y s t o w ar d s s u st ai n a bilit y. Ri s k s a n d O p p ort u niti e s. D e p e n di n g o n h o w t h e E ur o p e a n C o m m o n A gri c ult ur al P oli c y ( C A P) will b e i m - pl e m e nt e d i n G er m a n y, r e s e ar c h o p p ort u niti e s m a y e m er g e fr o m r e q u e st s f or p oli c y a d vi c e fr o m F e d er al Mi ni stri e s A d vi s or y B o ar d s a n d N G O s. W e s e e a n o p p ort u nit y t o b e c o m e a h u b i n ur b a n r e sili e n c e r e s e ar c h. Gi v e n t h at o ur s o ci al s ci e n c e r e s e ar c h i s c o n c er n e d wit h c o n fii ct-l a d e n e n vir o n m e nt s, t h er e i s t h e ri s k t h at o ur m et h o d ol o gi e s a n d s ur v e y m et h o d s r e q uir e a dj u st m e nt s t o s af e g u ar d t h e pri v a c y of i n di vi d u al s a n d t h e c o n fi d e nti alit y of d at a c oll e ct e d. E) Pr e vi o u s a c hi e v e m e nt s of t h e c o ntri b uti n g c e nt er s a n d i nfr a str u ct ur e s E x p erti s e a n d pr eli mi n ar y w or k. U F Z ’ s c o ntri b uti o n s t o T 5 ar e b a s e d o n f o ur or g a niz ati o n al u nit s of t h e c e nt er, w hi c h s h ar e o ut st a n di n g r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e s i n t h e fi el d s of E art h o b s er v ati o n, e x p eri m e nt ati o n, m o nit ori n g, d at a a n al y si s, m o d eli n g, a n d si m ul ati o n. T h e c e nt er h a s e st a bli s h e d gl o b all y u ni q u e c o ntr oll e d fi el d e x p eri m e nt s ( e. g., G C E F), a n d e xt e n d e d e xi sti n g o b s er v at ori e s a n d m o nit ori n g pl atf or m s ( e. g., T E R E N O). T h e E x p eri m e nt al R e s e ar c h St ati o n B a d L a u c h st ä dt c o m pri s e s a c o m pr e h e n si v e s et of c o m pl e m e nt ar y bi o di v er sit y a n d e c o s y st e m s e x p eri m e nt s, a n d wit h T E R E N O, M O S E S, a n d M O BI C O S , U F Z h a s g ai n e d a n o ut st a n di n g i nt er n ati o n al r e p ut ati o n a n d l e a d er s hi p i n c o nti n u o u s l o n g-t er m o b s er v ati o n s. W orl d-l e a di n g r e s ult s i n c at c h- m e nt m o nit ori n g str at e gi e s a n d i n tr a v el ti m e di stri b uti o n s b et w e e n ri v er c orri d or a n d c at c h m e nt s c al e s h a v e b e e n o bt ai n e d. M or e o v er, t h e U F Z c o or di n at e s t h e i m pl e m e nt ati o n a n d o p er ati o n of t h e e L T E R RI ( s e e b el o w), a n d i s a l e a di n g p art n er i n ot h er n ati o n al ( e. g., B o n a R e s, Bi o di v er sit y E x pl or at ori e s) a n d gl o b al n et w or k s ( e. g., N ut N et, Dr o u g ht- N et) i n v e sti g ati n g t h e s e n siti vit y of t err e stri al e c o s y st e m s t o i n cr e a si n g gl o b al c h a n g e. I n or d er t o cl o s e t h e c h ai n fr o m i nt e gr ati v e, pr o c e s s- b a s e d r e s e ar c h t o p oli c y a d vi c e, t h e U F Z h a s d e v el o p e d a n d a p pli e d n o v el m o d eli n g c o n c e pt s i nt e gr ati n g h et er o g e n o u s g o al- ori e nt e d d at a, a n d d at a- s ci e n c e a p pr o a c h e s. J oi nt- u p m o nit ori n g, o b s er v ati o n, a n d e x p eri m e nt s o n s el e ct e d fl el d sit e s h a v e u n d er pi n n e d a n e w g e n er ati o n of s c al a bl e, hi g h-r e s ol uti o n, pr e di cti v e c o u pl e d- m o d eli n g a p pr o a c h e s. H y dr ol o gi c m o d eli n g at t h e U F Z h a s a d v a n c e d t h e i nt er n ati o n al st at e- of-t h e- art. T h e U F Z r u n s I nt e gr at e d Pr oj e ct s. T h e s e ff x e d-t er m, pr o bl e m- ori e nt e d a n d i nt er di s ci pli n ar y or g a niz ati o n al u nit s dr a w e x p erti s e fr o m a cr o s s t h e c e nt er’ s r e s e ar c h u nit s t o p ur s u e s ci e nti fi c e x c ell e n c e t hr o u g h c o or di n at - Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 5 7

T o pi c 5: L a n d s c a p e s of t h e F ut ur e: S e c uri n g t err e stri al e c o s y st e m s a n d fr e s h w at er r e s o ur c e s F) C oll a b or ati o n a n d tr a n sf er P art n er s. B e y o n d c o o p er ati o n s wit h m a n y G er m a n a n d l e a di n g i nt er n ati o n al u ni v er siti e s ( e. g., i nt er n ati o n al h u b o n l a n d u s e r e s e ar c h wit h Vrij e U ni v er sit eit A m st er d a m, or m o d eli n g wit h P ur d u e U ni v er sit y), T 5 p art n er s wit h t h e G er - m a n C e ntr e f or I nt e gr ati v e Bi o di v er sit y R e s e ar c h (i Di v, i n cl u di n g t h e cl o s e c oll a b or ati o n wit h HI F M B ), f u n d e d b y D F G a n d U F Z. I nt e gr ati n g t hr e e u ni v er siti e s ( H all e, J e n a, L ei pzi g), U F Z a n d s e v e n M a x Pl a n c k a n d L ei b niz I n sti - t ut e s i nt o a w orl d- cl a s s r e s e ar c h c e nt er, i Di v a d v a n c e s bi o di v er sit y s ci e n c e a cr o s s ti m e a n d s p ati al s c al e s, l e v el s of c o m pl e xit y a n d di s ci pli n ar y b o u n d ari e s. I n s Di v, t h e S y nt h e si s C e ntr e of i Di v, i nt er n ati o n al a n d i nt er di s ci pli n ar y s y nt h e si s t e a m s a d dr e s s m ai n o bj e cti v e s s h ar e d wit h T 5. T o g et h er wit h t h e P ot s d a m I n stit ut e f or Cli m at e I m p a ct R e s e ar c h ( PI K), U F Z a dr e s s e s s o ci et al r el e v a nt q u e sti o n s i n t h e fi el d of gl o b al c h a n g e a n d r e gi o n al cli m at e i m p a ct s. Str at e gi c c o o p er ati o n wit h t h e U. S. S o ci o- E n vir o n m e nt al S y nt h e si s C e ntr e S E S Y N C ai m s at bri d gi n g b e- t w e e n n at ur al a n d s o ci al s ci e n c e s t hr o u g h t h e ori e s, d at a, a n d m o d el s. T hi s c oll a b or ati o n h a s a d dr e s s e d t h e i nt e gr ati o n of t h e h u m a n di m e n si o n i n E art h s y st e m s m o d el s a n d t h e c o u pli n g of m o d el s t o a s s e s s s y st e m s of s y st e m s . C o o p er ati o n wit h t h e St o c k h ol m R e sili e n c e C e nt er c o v er s t h e a n al y si s, g o v er n a n c e, a n d m a n a g e- m e nt of s o ci al- e c ol o gi c al s y st e m s t o e n h a n c e t h e c a p a cit y t o d e al wit h c o m pl e xit y a n d c h a n g e, wit h a f o c u s o n s u st ai n a bl e l a n d m a n a g e m e nt. T 5 will c o ntri b ut e t o s h a pi n g t h e E ur o p e a n e n vir o n m e nt al r e s e ar c h a g e n d a b y f a cilit ati n g k n o wl e d g e e x c h a n g e a n d j oi nt pr oj e ct s wit hi n t h e P E E R – P art n er s hi p f or E ur o p e a n E n vir o n m e nt al R e s e ar c h, of w hi c h U F Z i s a f o u n di n g m e m b er. T 5 c o o p er at e s wit h G er m a n a n d i nt er n ati o n al e n vir o n m e nt al a g e n ci e s, i. e., U B A, Bf N, E E A, a n d U N E P’ s W orl d W at er Q u alit y Alli a n c e. Wit hi n t h e fi el d of E art h s y st e m m o d eli n g, T 5 c o o p er at e s wit h i nt er n ati o n al p art n er s li k e t h e N ati o n al C e nt er f or At m o s p h eri c R e s e ar c h – N C A R , U ni v er sit y of Pri n c et o n, L a wr e n c e B er k el e y N ati o n al L a b or at or y a n d C e n- t er of E c ol o g y a n d H y dr ol o g y C E H, c o ntri b uti n g it s u ni q u e i nfr a str u ct ur e s. C o o p er ati o n p art n er s c o ntri b ut e t o m o d el d e v el o p m e nt a n d b e n c h m ar ki n g. F or e x a m pl e, t h e e x p erti s e of l ar g e- s c al e h y dr ol o gi c al m o d eli n g i s pr o vi d e d b y t h e Gl o b al I n stit ut e f or W at er S e c urit y . T 5 p art n er s i n s e v er al i nt er n ati o n al r e m ot e s e n si n g a n d d at a i niti ati v e s: T h e U S N ati o n al A er o n a uti c s a n d S p a c e A d mi ni str ati o n, N A S A, a n d G F Z p art n er i n t h e G R A C E a n d G R A C E- F O s at ellit e mi s si o n s, c oll e cti n g gl o b - al gr a vi m etri c d at a i n s u p p ort of h y dr ol o gi c al r e s e ar c h. T h e G er m a n A er o s p a c e C e nt er, D L R , i s a k e y p art n er f or a br o a d r a n g e of r e m ot e s e n si n g a n d G e o D at a s ci e n c e, f o c u si n g o n n at ur al l a n d s urf a c e d y n a mi c s i n t hi s T o pi c. D L R p art n er s G F Z i n t h e E n M A P h y p er s p e ctr al s at ellit e mi s si o n, w hi c h will yi el d d at a o n t h e c o m p o si- ti o n of t h e E art h’ s s urf a c e a n d it s c h a n g e. R e gi o n al m o d el hi n d c a st si m ul ati o n s ar e b a s e d o n E C M W F R e a n al - y s e s D at a . A WI r u n s P a n g a e a ®, a l e a di n g p u bli s h er w orl d wi d e f or E art h a n d e n vir o n m e nt al d at a. P o siti o ni n g of t h e T o pi c i n i nt er n ati o n al r e s e ar c h. T 5 i s bri n gi n g a u ni q u el y wi d e r a n g e of di s ci pli n e s fr o m a cr o s s t h e E art h a n d lif e s ci e n c e s t o b e ar o n t h e pr o c e s s e s a n d li n k s wit hi n t h e E art h’ s t err e stri al s urf a c e s y st e m. T o g et h er t h e s e di s ci pli n e s r a n g e fr o m t h e n a n o- t o t h e gl o b al s c al e, a n d fr o m t h e pr e s e nt i nt o d e e p g e ol o gi c al ti m e, wit h pr o v e n i nt erf a c e s a n d e fi e cti v e c o m bi n ati o n s of g e o- a n d bi o- a p pr o a c h e s. T hi s e n s e m bl e i s u n d er pi n n e d b y a c o m pr e h e n si v e r a n g e of l a b or at or y i nfr a str u ct ur e a n d o b s er v at ori e s a n d o b s er v ati o n pl at- f or m s t h at e n a bl e l o n g-t er m m o nit ori n g of r e m ai ni n g n at ur al, s e n siti v e, a n d hi g hl y d y n a mi c s etti n g s a n d gl o b al tr e n d s. T h e s y st e m s a p pr o a c h of t hi s e n s e m bl e c a n o nl y b e m at c h e d el s e w h er e b y m ulti-i n stit uti o n al c o n s orti a t h at t e n d t o b e e p h e m er al i n n at ur e. R e a c hi n g f art h er, T 5 m at c h e s it s c o m pr e h e n si v e E art h a n d Lif e S ci e n c e s a p pr o a c h wit h a t hr e e- pr o n g e d s o ci al s ci e n c e s str at e g y t o t a c kl e e n vir o n m e nt al pr o bl e m s i n t h eir cr u ci al, s o ci et al di m e n si o n. It d o e s s o b y i) i nt e- gr ati n g t h e w a y n at ur al s ci e n c e s l o o k at e n vir o n m e nt al pr o bl e m s, a n d ii) c o n n e cti n g t h e s o ci al di m e n si o n t o r e al- w orl d pr o bl e m s ( wit h c o m p o u n d e d e c ol o gi c al s c al e s, di ff er e nt l e v el s of g o v er n a n c e a n d v ari o u s s e ct or s), w hil st iii) u si n g e x p erti s e fr o m a br o a d r a n g e of s o ci al s ci e n c e di s ci pli n e s. T hi s a p pr o a c h di fi er s fr o m m o st s o - ci al s ci e n c e gr o u p s gl o b all y. T 5 h a s s p e ci fi c str e n gt h s i n s ci e n c e- p oli c y i nt erf a c e s o n t h e E U ( a n d i nt er n ati o n al) l e v el, pr o c e d ur e s f or k n o wl e d g e s y nt h e si s, m ulti-l e v el g o v er n a n c e, a n d p oli c y- mi x e s (i. e., t h e i nt er a cti o n s of t a x e s, l e g al r e g ul ati o n s a n d s p ati al pl a n ni n g, f or e x a m pl e) i n t h e fi el d s of bi o di v er sit y, r e n e w a bl e e n er g y, w at er, a n d ur b a n tr a n sf or m ati o n s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 5 9

T o pi c 5: L a n d s c a p e s of t h e F ut ur e: S e c uri n g t err e stri al e c o s y st e m s a n d fr e s h w at er r e s o ur c e s n a n c e m e c h a ni s m s f or t h e tr a n sf or m ati o n of ur b a n ar e a s, a n d s c e n ari o a n al y si s a n d m o d eli n g of e xtr e m e e v e nt s a n d i m p a ct c h ai n s. E art h s y st e m t hr e s h ol d s a fi e cti n g gl o b all y r el e v a nt C O 2 s o ur c e s a n d si n k s. T 5 c o ntri b ut e s t o t hi s pl a n n e d C T A m e c h a ni s m s a n d q u a nti fi c ati o n s of c ar b o n fi u x e s fr o m t h e t err e stri al E art h s urf a c e t o t h e at m o s p h er e a n d o c e a n s, t h eir s e n siti vit y, c h ar a ct eri sti c ti m e s c al e s a n d a s s o ci at e d f e e d b a c k s. E xtr e m e s. T 5 c o ntri b ut e s r e gi o n al cli m at e i m p a ct m o d eli n g a n d r e s e ar c h o n v ul n er a bilit y a n d c o pi n g c a p a ci- ti e s of i n di vi d u al s a n d s o ci et y wit h r e s p e ct t o ff o o d s a n d dr o u g ht s. M A C E. T 5 will i d e ntif y s o ci al f a ct or s i m p a cti n g h u m a n h e alt h, a n d, wit h r e s p e ct t o e c o s y st e m h e alt h, st u d y c a u s e- e fi e ct r el ati o n s hi p s of c h e mi c al s i n i nl a n d w at er s. Bi o e c o n o m y m e et s E n er g y. T 5 will pr o vi d e s p ati all y e x pli cit r e n e w a bl e e n er g y a n d bi o m a s s s c e n ari o s a n d a s s e s s m e nt f or G er m a n y b y i) i m pr o vi n g lif e- c y cl e b a s e d a s s e s s m e nt of e c ol o gi c al, e c o n o mi c a n d s o ci al s u s - t ai n a bilit y a s p e ct s a n d ii) a n al yzi n g t h e tr a d e- o fi s a n d c o n fii cti n g t ar g et s fr o m a s y st e mi c vi e w. Tr a n sf er a n d c o ntri b uti o n t o S y n C o m. Wit h it s e xt e n d e d s y nt h e si s a p pr o a c h, t h at i nt e gr at e s i n di vi d u al c o m p art - m e nt s, s o ci o- e c o n o mi c s e ct or s, di fi er e nt s p ati al a n d t e m p or al s c al e s, a n d st a k e h ol d er k n o wl e d g e, T 5 will b e i n - str u m e nt al f or S y n C o m. T 5 h a s a str o n g e m p h a si s a n d l o n gti m e e x p eri e n c e o n k n o wl e d g e tr a n sf er 1 7 2 t h at g o e s b e- y o n d tr a diti o n al f or m s of ( u nil at er al) tr a n sf er a n d i n cl u d e s t h e c o- d e si g n a n d c o- d e v el o p m e nt of m ut u al k n o wl e d g e e x c h a n g e pr o c e s s e s ri g ht fr o m t h e b e gi n ni n g of pr oj e ct s; st a k e h ol d er s er vi c e s ( e. g., cli m at e s er vi c e s, s oil-r el at e d s er vi c e s, w at er q u a ntit y a n d q u alit y s er vi c e s 1 7 3 ) ar e a n i nt e gr al p art of T 5. T h e i n v ol v e d s o ci al s ci e n c e di s ci pli n e s pl a y a k e y r ol e i n d e v el o pi n g t ail or e d st a k e h ol d er- ori e nt e d s ol uti o n s a n d i m pl e m e nt a bl e p oli c y o pti o n s. 1 7 4 T h e pr o- c e s s of str e n gt h e ni n g k n o wl e d g e tr a n sf er a n d k n o wl e d g e e x c h a n g e wit hi n t h e H el m h oltz A s s o ci ati o n a n d b e y o n d w a s i niti at e d a n d h a s b e e n s h a p e d b y T 5. B a s e d o n t hi s e x p erti s e, T 5 will pr o vi d e k e y c o ntri b uti o n s t o s ci e nti fl c s y nt h e si s ( e. g., t h e m o d ul ar si ml at or of tr a n siti o n s L a n d Tr a n s), a n d i n t h e n et w or ks m e nti o n e d a b o v e ( e. g., c o or di - n ati n g t h e i niti ati v e a n d t a ki n g t h e l e a d of HI- C A M’ s a d a pt ati o n cl u st er). T 5 will c o ntri b ut e t o t a s k f or c e s a n d f or e - si g ht pr o c e s s e s wit hi n S y n C o m. F urt h er c o ntri b uti o n s m a y i n cl u d e: e n h a n ci n g c a p a citi e s of ur b a n ar e a s t o c o p e wit h cli m at e e xtr e m e s; a m a st er pl a n h o w t o h alt bi o di v er sit y l o s s; m a n a g e m e nt pl a n s o n p at h w a y s h o w t o s e c ur e w at er r e s o ur c e s a n d a q u ati c e c o s y st e m s i n s el e ct e d d e v el o p e d, n e wl y i n d u stri alizi n g a n d d e v el o pi n g c o u ntri e s. E x e c uti v e S u m m ar y • • • T 5 pr o vi d e s a u ni q u e pl atf or m f or s y nt h e sizi n g p at h w a y s t o w ar d s m ultif u n cti o n al l a n d s c a p e s of t h e f ut ur e. T h e s e l a n d s c a p e s c a n s u st ai n a bl y d eli v er t h e m a n y a n d di v er s e s er vi c e s d e m a n d e d b y s o ci et y, e v e n u n d er i nt e n sif yi n g pr e s s ur e s, w hil e r et ai ni n g t h eir n at ur al c a p a citi e s t o f ul ffll t h eir vit al r ol e i n t h e E art h s y st e m. T hi s will b e a c hi e v e d b y c o m bi ni n g n at ur al wit h s o ci al s ci e n c e s, a s w ell a s pr o c e s s m o nit ori n g i n a m ultit u d e of o b s er v at ori e s wit h n e w m o d eli n g str at e gi e s f or a n al yzi n g i m p a ct c h ai n s. T 5 c o ntri b ut e s t o s e v er al Pr o gr a m o bj e cti v e s o n bi o di v er sit y, e c o s y st e m s a n d r el at e d pr o vi si o ni n g s er vi c e s ( 5, 6, 7), b ett er i m p a ct pr e di cti o n s ( 1), cli m at e ( 2, 3), a n d li v a bl e s p a c e s f or h u m a n s ( 4, 5, 9). R e a c hi n g a cr o s s c o m p art m e nt s, s o ci o- e c o n o mi c s e ct or s a n d s c al e s, T 5 d e m o n str at e s h o w d e sir a bl e pi ct ur e s of t h e f ut ur e c a n b e m a d e att ai n a bl e ( 1 0). T 5 i s f o c u s e d o n t err e stri al l a n d s c a p e s a s s p a c e s w h er e h u m a n i m p a ct s, e c ol o gi c al alt er ati o n s, a n d s o ci al c o st s of l a n d u s e c h a n g e s a n d e fi e ct s of cli m at e c h a n g e dir e ctl y s h a p e h u m a n lif e. Si n c e t h e h u - m a n di m e n si o n h a s b e c o m e pi v ot al i n t hi s ar e n a, T 5’ s a p pr o a c h will e x e m plif y h o w k n o wl e d g e- b a s e d r e c o m m e n d ati o n s, a d a pt ati o n str at e gi e s, m a n a g e m e nt pl a n s a n d p oli c y i n str u m e nt s m ai nt ai ni n g a n d r e st ori n g m ultif u n cti o n al l a n d s c a p e s c a n b e d e v el o p e d a n d a s s e s s e d o n v ari o u s l e v el s (fr o m gl o b al t o r e gi o n al) al o n g t h e w h ol e c h ai n of k n o wl e d g e cr e ati o n. 1 7 2 S e e a b o v e, e. g., c o ntri b uti o n s t o I P B E S, I P C C, E E A, U N E A. 1 7 3 A n e x a m pl e i s t h e G er m a n Dr o u g ht M o nit or: htt p s://w w w. ufz. d e /i n d e x. p h p? e n = 3 7 9 3 7, or t h e Cli m at e O ff c e f or C e ntr al G er m a n y at U F Z. 1 7 4 S e e a b o v e, e. g., s ci e n c e- p oli c y i nt erf a c e s o n n ati o n al a n d i nt er n ati o n al l e v el, pr o c e d ur e s f or k n o wl e d g e s y nt h e si s, m ulti-l e v el g o v - er n a n c e, a n d p oli c y- mi x e s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 6 1

T o pi c 6: M ari n e a n d P ol ar Lif e: S u st ai ni n g Bi o di v er sit y, Bi oti c I nt er a cti o n s a n d Bi o g e o c h e mi c al F u n cti o n s Fi g. 6. 1: T 6 st u di e s t h e bi o di v er sit y, bi oti c i nt er a cti o n s, a n d bi o g e o c h e mi c al f u n cti o n s of m ari n e e c o s y st e m s a n d t h eir r e s p o n s e t o gl o b al c h a n g e. It ai m s t o pr ot e ct m ari n e e c o s y st e m s a n d t h e s er vi c e s t h at t h e y pr o vi d e t o h u m a n ki n d b y e st a bli s hi n g t h e s ci e nti ff c b a si s f or s u st ai n a bl e o c e a n m a n a g e m e nt. Str at e gi c g ui d eli n e s ( F o P o Z). U n d er st a n di n g t h e e m er g e n c e, di stri b uti o n a n d di v er sit y of lif e-f or m s a n d t h eir c o m pl e x i nt er a cti o n s wit h t h e bi oti c a n d a bi oti c e n vir o n m e nt i s criti c al t o o c e a n m a n a g e m e nt a n d c o n s er - v ati o n, b ut r e m ai n s o n e of t h e gr e at c h all e n g e s t o s ci e n c e a n d s o ci et y. T 6 will pr o vi d e s ci e nti fi c k n o wl e d g e n e e d e d t o i m pr o v e r e g ul ati o n s f or m ari n e e n vir o n m e nt al pr ot e cti o n b y a s s e s si n g t h e r e s p o n s e of m ari n e e c o - s y st e m s t o h u m a n pr e s s ur e s a n d c o m m u ni c ati n g t h e s ci e nti fi c r e s ult s t o p oli c y m a k er s, r e g ul at or s, m ariti m e i n d u stri e s, e n vir o n m e nt al N G O s a n d t h e g e n er al p u bli c. T 6 will pr o vi d e i n str u m e nt ati o n, d at a i nfr a str u ct ur e s a n d p er s o n n el f or s p e ci fi c mi s si o n s of D A M a n d M A R E: N, a n d will dir e ctl y c o ntri b ut e t o t h e U nit e d N ati o n s S u st ai n a bl e D e v el o p m e nt G o al ( U N S D G) 1 4 ‘ Lif e B el o w W at er’. F u n cti o n a n d c o ntri b uti o n of t h e T o pi c wit hi n t h e Pr o gr a m. A s a T o pi c d e di c at e d t o m ari n e lif e, T 6 i s li n k e d t o T 4 a n d T 5 wit h r e s p e ct t o e n er g y a n d m att er ff o w fr o m t err e stri al t o m ari n e s y st e m s, w hi c h p a s s e s t hr o u g h c o a st al r e gi o n s. M or e o v er, m a n y of t h e st u di e d pr o c e s s e s s u c h a s e c o s y st e m f u n cti o n alit y a n d a d a pt ati o n ar e st u di e d i n c o a st al a n d o p e n o c e a n e c o s y st e m s i n a c o or di n at e d a n d c o m p ar ati v e w a y. T 6 will c o o p er at e cl o s el y wit h T 2 t o i nt e gr at e c utti n g- e d g e o c e a n p h y si c s i nt o bi ol o gi c al a n d bi o g e o c h e mi c al fi el d st u di e s a n d m o d el s. M or e o v er, T 6 will d eli v er a n a s s e s s m e nt of t h e c ar b o n c y cl e i n t h e m o d er n o c e a n a s r ef er e n c e f or t h e r e c o n str u cti o n of p a st c ar b o n b u d g et s t o T 2 a n d it will r e ci pr o c all y r e c ei v e p al e o-r e c o n str u cti o n s fr o m T 2 t o v ali d at e it s bi o g e o c h e mi c al o c e a n m o d el s. Cl o s e i nt er a cti o n a n d c o- c o or di n ati o n ar e al s o e n vi s a g e d wit h T 5, u si n g cr o s s- e c o s y st e m a n al y si s a n d s y nt h e si s t o i) fi n d c o m m o n aliti e s a n d di fi er e n c e s i n c h a n gi n g t err e stri al, m ari n e, a n d fr e s h w at er lif e, a n d ii) a d dr e s s cr o s s- s y st e m fi u x e s of m att er a n d or g a ni s m s. K n o wl e d g e o n m ari n e bi o di v er sit y, e c o s y st e m f u n cti o ni n g, a n d bi o g e o c h e mi c al c y cl e s g e n er at e d i n T 6 will b e u s e d i n T 7 a n d T 8 t o g ui d e t h e s u st ai n a bl e u s e of bi ol o gi c al a n d mi n er al r e s o ur c e s. Hi g hli g ht s. M O S Ai C. S e a s o n alit y of cr y o p el a gi c lif e a n d bi o g e o c h e mi str y i n t h e C e ntr al Ar cti c O c e a n will b e st u di e d b y t h e M ulti di s ci pli n ar y drifti n g O b s er v at or y f or t h e St u d y of Ar cti c Cli m at e ( M O S Ai C). T h e fl a g s hi p a cti vit y will pr o vi d e a n u n pr e c e d e nt e d d at a s et c o v eri n g a n a n n u al c y cl e i n a n d b el o w t h e p a c k i c e of t h e C e ntr al Ar cti c O c e a n. M o st i m p ort a ntl y, it will c o v er t h e s e a s o n al c o m p o siti o n a n d a cti vit y of t h e bi ol o gi c al s y st e m a n d r e - Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 6 3

T o pi c 6: M ari n e a n d P ol ar Lif e: S u st ai ni n g Bi o di v er sit y, Bi oti c I nt er a cti o n s a n d Bi o g e o c h e mi c al F u n cti o n s C) Str u ct ur e of t h e T o pi c a n d m oti v ati o n of S u bt o pi c s I ntr o d u cti o n of S u bt o pi c s. T 6 i s c o m p o s e d of f o ur S u bt o pi c s ( S Ts) wit h criti c al li n k s t o ot h er T o pi c s a n d str at e gi c p art n er s ( Fi g. 6. 2). S T 6. 1 o n ‘ F ut ur e e c o s y st e m f u n cti o n alit y ’ will i d e ntif y g e n er al pri n ci pl e s i n t h e r el ati o n s hi p s b et w e e n f u n c- ti o n al bi o di v er sit y a n d m aj or e c o s y st e m pr o c e s s e s a n d d et er mi n e t h e m e c h a ni sti c b a c k gr o u n d of t h e r e s p o n s e of bi o di v er sit y a n d s p e ci e s i nt er a cti o n s t o n at ur al v ari a bilit y a n d gl o b al c h a n g e. It will d e v el o p s u st ai n a bl e c o n s er v ati o n a n d m a n a g e m e nt str at e gi e s t o miti g at e c o n s e q u e n c e s of gl o b al c h a n g e b y e. g., a s s e s si n g str at - e gi e s t o e st a bli s h a n d m a n a g e m ari n e pr ot e ct e d ar e a s (li n k t o T 4). S T 6. 2 o n ‘ A d a pt ati o n of m ari n e lif e: fr o m g e n e s t o e c o s y st e m s ’ will f o c u s o n t h e d y n a mi c r e s p o n s e s of m ari n e s p e ci e s t o o n g oi n g a nt hr o p o g e ni c p ert ur b ati o n s. T h e m ai n o bj e cti v e i s a n i nt e gr ati v e u n d er st a n di n g of r e s p o n s e s at t h e m ol e c ul ar, c ell ul ar, or - g a n, or g a ni s m al a n d h ol o bi o nt l e v el. T h e o ut c o m e s of a d a pt ati o n pr o c e s s e s ar e i n t ur n criti c al f or e c o s y st e m f u n cti o ni n g, i nf or m ati o n t h at will f e e d i nt o S T 6. 1. S T 6. 3 o n t h e ‘F ut ur e bi ol o gi c al c ar b o n p u m p ’ will st u d y h o w m ari n e e c o s y st e m s f a cilit at e t h e s e q u e str ati o n of C O 2 i n t h e o c e a n. E m pl o yi n g t h e k n o wl e d g e g ai n e d i n S T 6. 1 a n d S T 6. 2, S T 6. 3 will i n v e sti g at e h o w C O 2 u pt a k e a n d t ur n o v er b y m ari n e e c o s y st e m s r e s p o n d t o o n g o- i n g a n d f ut ur e cli m at e c h a n g e, a n d will c oll a b or at e wit h T 2 o n p a st o c e a n c ar b o n fi u x e s a n d cli m at e. S T 6. 3 will c o ntri b ut e t o t h e o v er all Pr o gr a m b y a s s e s si n g fi u x e s of C O 2 a n d ot h er cli m at e a cti v e g a s e s a cr o s s t h e at m o- s p h er e / o c e a n b o u n d ar y, o n e of t h e m aj or i nt erf a c e s of t h e E art h s y st e m. S T 6. 4 o n ‘ U s e a n d mi s u s e of t h e o c e a n: C o n s e q u e n c e s f or m ari n e e c o s y st e m s ’ will st u d y h o w pl a sti c d e bri s, a nt hr o p o g e ni c n oi s e a n d h ar m- f ul s u b st a n c e s r el e a s e d d uri n g d e e p- s e a mi ni n g a n d or d n a n c e di s p o s al s pr e a d i n t h e o c e a n a n d a fi e ct t h e h a bit at of m ari n e or g a ni s m s. B uil di n g o n t h e a p pr o a c h e s a n d r e s ult s of S T 6. 1 a n d S T 6. 2, S T 6. 4 will i n v e sti g at e h o w m ari n e e c o s y st e m s r e s p o n d t o t h e s e dir e ct h u m a n i nt er v e nti o n s a n d h o w a d v er s e e ff e ct s c a n b e mi ni - miz e d b y i m pr o v e d o c e a n m a n a g e m e nt. All S u bt o pi c s will i m pl e m e nt i n n o v ati v e t e c h n ol o gi e s i n cl u di n g s e n - s or s, pl atf or m s a n d d at a s ci e n c e m et h o d s. Fi g. 6. 2 Gr a p hi c al s c h e m e of T 6 wit h criti c al li n k s t o Cr o s s- C utti n g A cti viti e s a n d s. Fi g. 6. 2 Gr a p hi c al s c h e m e of T 6 wit h criti c al li n k s t o Cr o s s- C utti n g A cti viti e s a n d s. Fi g. 6. 2: Gr a p hi c al s c h e m e of T 6 wit h criti c al li n k s t o Cr o s s- C utti n g A cti viti e s a n d str at e gi c p art n er s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 6 5

T o pi c 6: M ari n e a n d P ol ar Lif e: S u st ai ni n g Bi o di v er sit y, Bi oti c I nt er a cti o n s a n d Bi o g e o c h e mi c al F u n cti o n s M ai n o bj e cti v e s. T h e c e ntr al g o al of S T 6. 1 i s t o u n d er st a n d t h e r ol e of f u n cti o n al bi o di v er sit y i n m ai nt ai ni n g p arti c ul ar a n d e s s e nti al m ari n e e c o s y st e m pr o c e s s e s u n d er v ari a bl e e n vir o n m e nt al c o n diti o n s a n d t o i d e ntif y g e n er al pri n ci pl e s i n t h e r el ati o n s hi p s b et w e e n f u n cti o n al bi o di v er sit y a n d m aj or e c o s y st e m pr o c e s s e s ( Fi g. 6. 3). B a s e d o n t hi s k n o wl e d g e, S T 6. 1 f urt h er ai m s t o i n v e sti g at e e xi sti n g a n d pr o vi d e d at a, i nf or m ati o n, a n d n e w c o n c e pt s f or m ari n e c o n s er v ati o n a n d g o v er n a n c e. W or k pr o gr a m. I n or d er t o pr o vi d e t h e s ci e nti fi c b a si s f or t h e d e v el o p m e nt of e fi ci e nt m ari n e c o n s er v ati o n a n d m a n a g e m e nt str at e gi e s, S T 6. 1 will c o m bi n e r e g ul ar o b s er v ati o n al a n d pr o c e s s- ori e nt e d fi el d st u di e s a n d c o ntr oll e d e x p eri m e nt s wit h t h e or eti c al c o n c e pti o n s, n u m eri c al m o d eli n g, a n d s o ci o- e c o n o mi c a n al y s e s. S u c h a c o m pr e h e n si v e a p pr o a c h i s n e e d e d t o d e v el o p e ff ci e nt str at e gi e s f or m ari n e g o v er n a n c e a n d c o n s er v ati o n. S T 6. 1 si m ult a n e o u sl y a d dr e s s e s m ulti pl e di m e n si o n s of bi o di v er sit y (t a x o n o mi c, f u n cti o n al, g e n eti c) t o i nf er g e n er al p att er n s a n d m e c h a ni s m s t h at ar e r e q uir e d f or u p s c ali n g. M o d eli n g e fi ort s will s u p p ort u n d er st a n di n g a n d pr e di cti o n o n e c o s y st e m s c al e s i n c or p or ati n g s p ati al a n d t e m p or al v ari a bilit y of e n vir o n m e nt al dri v er s a n d pr o c e s s e s. A b a si c a p pr o a c h of t h e i nt e n d e d fi el d w or k i s t o e st a bli s h n o v el d e di c at e d ‘ e x pl or at ori e s’ f or c o m p ar ati v e l ar g e- s c al e a n d l o n g-t er m f u n cti o n al bi o di v er sit y r e s e ar c h, w hi c h c o m bi n e o b s er v ati o n al ti m e s eri e s i n v e sti g ati o n s, pr o c e s s st u di e s a n d c o ntr oll e d i n sit u e x p eri m e nt s o n cr ui s e s a n d at s el e ct e d L T E R sit e s a cr o s s a l atit u di n al gr a di e nt. T hi s i n cl u d e s o n t h e o n e h a n d s u btr o pi c al g yr e s a n d u p w elli n g ar e a s t hr o u g h G E O T R A C E S s e cti o n s a n d f urt h er cr ui s e s, a n d o n t h e ot h er h a n d hi g h l atit u d e sit e s s u c h a s L T E R H a u s g art e n a n d t h e M O S Ai C e x p eri m e nt i n t h e Ar cti c, a s w ell a s t h e F R A M o b s er v at or y at L T E R H a u s g art e n f or y e ar-r o u n d l o n g-t er m o b s er v ati o n a n d a n al y si s of p ol ar m ari n e bi o di v er sit y. M ari n e bi o di v er sit y i n cl u di n g mi cr o bi o m e s a s w ell a s s p e ci e s i nt er a cti o n s a n d c o e xi st e n c e will b e st u di e d a cr o s s di fi er e nt di m e n si o n s of bi o di v er sit y a n d s p ati o-t e m p or al s c al e s, u si n g t h e l at e st a p pr o a c h e s, p arti c ul arl y a c o u sti c, o pti c al a n d i m a gi n g m et h o d s, m o d ul ariz e d e x p eri m e nt ati o n a n d d at a a n al y si s t e c h ni q u e s ( u n d er s p e ci al c o n si d er ati o n of m ol e c ul ar d at a). S p e ci al att e nti o n will b e p ai d t o o c e a n w ar mi n g i m p a ct s i n cl u di n g t h e f at e of s e a i c e a n d pr o c e s s e s of m ulti / mi cr o- n utri e nt li mit ati o n s, w hi c h m a y b e k e y i n d et er mi ni n g t h e r e s p o n s e s of p h yt o pl a n kt o n c o m m u nit y str u c - t ur e a n d pr o d u cti vit y.1 7 6 T h e e m b e d di n g of t h e r e s ulti n g d at a wit hi n o c e a n m o d el s ( wit h S T 6. 3) will l e a d t o Fi g. 6. 3: R e s e ar c h o bj e cti v e s of S T 6. 1: F ut ur e e c o s y st e m f u n cti o n alit y. 1 7 6 * Br o w ni n g TJ, A c ht er b er g E P, R a p p I, E n g el A, B ertr a n d E M, M o or e C M. 2 0 1 7. N utri e nt c o-li mit ati o n at t h e b o u n d ar y of a n o c e a ni c g yr e. N at ur e. 5 5 1: 2 4 2 – 2 4 6. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 6 7

T o pi c 6: M ari n e a n d P ol ar Lif e: S u st ai ni n g Bi o di v er sit y, Bi oti c I nt er a cti o n s a n d Bi o g e o c h e mi c al F u n cti o n s D eli v er a bl e s ( D) a n d Mil e st o n e s ( M) • • • D 6. 1 ( 2 0 2 5): S y nt h eti c o v er vi e w of h o w c h a n gi n g a bi oti c c o n diti o n s i m p a ct m ari n e bi o di v er sit y, s p e ci e s di stri b uti o n a n d i nt er a cti o n s. M 6. 1- 1 ( 2 0 2 2): M o d ul ariz e d e x p eri m e nt t o gl o b al c h a n g e r e s p o n s e i n p h y- t o pl a n kt o n b a s e d o n r e s o ur c e s u p pl y c h a n g e s u n d er c h a n gi n g c o n diti o n s p erf or m e d. M 6. 1- 2 ( 2 0 2 4): M ari n e n et w or k i nf or m ati o n i nf err e d fr o m g e n er al a s s e s s m e nt of m ol e c ul ar a n d ot h er m ari n e l o n g-t er m bi o di v er sit y d at a a cr o s s r e gi o n s. M 6. 1- 3 ( 2 0 2 5): S p ati o-t e m p or al s c e n ari o s f or hi g h l atit u d e m ari n e bi ot a a n d t h eir r e s p o n s e t o m ulti pl e e n vir o n m e nt al str e s s or s d e v el o p e d. D 6. 2 ( 2 0 2 7): I m pr o v e d pr oj e cti o n c a p a biliti e s of f ut ur e m ari n e bi o di v er sit y a n d it s r ol e i n m ai nt ai ni n g k e y e c o s y st e m f u n cti o n s s u c h a s pr o d u cti vit y. M 6. 2- 1 ( 2 0 2 2): E vi d e n c e f or gr a d u al r e s p o n s e s v er s u s n o n-li n- e ar d y n a mi c s ( e. g., ti p pi n g p oi nt s) a n d i d e nti fi c ati o n of t hr e s h ol d s g e n er aliz e d. M 6. 2- 2 ( 2 0 2 4): N o v el m ari n e e c o s y st e m s i n cl u di n g t h eir s p e ci e s c o m p o siti o n a n d f u n cti o n alit y a s s e s s e d. M 6. 2- 3 ( 2 0 2 6): K e y li n k a g e s b et w e e n m et a b oli c a n d s p e ci e s n et w or k s i n m ari n e e c o s y st e m s i d e nti fi e d. D 6. 3 ( 2 0 2 7): Str at e gi e s f or s u st ai n a bl e m a n a g e m e nt of s el e ct e d m ari n e e c o s y st e m s. M 6. 3- 1 ( 2 0 2 2): I n v e nt or y of m a n a g e m e nt str at e gi e s f or t h e m ari n e r e al m c o m pl et e d. M 6. 3- 2 ( 2 0 2 4): Tr a d e- o fi i n t h e r ol e of r ar e a n d c o m m o n s p e ci e s f or c o n s er v ati o n a n d e c o s y st e m s er vi c e pr o vi si o ni n g a n d it s f ut ur e r e sili e n c e. M 6. 3- 3 ( 2 0 2 7): S p ati o-t e m p or al a s s e s s m e nt of g o v er n a n c e i n t h e m ari n e r e al m ff n aliz e d, t a ki n g i nt o a c- c o u nt t h e c o n s e q u e n c e s of c o n n e cti vit y a n d i s ol ati o n. Ri s k s a n d O p p ort u niti e s. T h e t ar g et r e s e ar c h ar e a s of S T 6. 1 ar e e xtr e m el y c o m pl e x a n d s p ati all y h et er o g e- n e o u s s y st e m s. H e n c e, w e ar e c h all e n g e d t o a p pl y a p pr o pri at e a p pr o a c h e s a n d m o d el s t h at ar e a bl e t o d e al wit h st o c h a sti cit y a n d mi s si n g d at a ( S T 6. 3). T h e s e ri s k s h a v e t o b e s e e n al o n g si d e wit h t h e f a ct t h at r e c e ntl y m ulti- pr e s s ur e c o n s e q u e n c e s of a nt hr o p o g e ni c a cti o n s a n d cli m at e c h a n g e f or t h e e n vir o n m e nt r e fi e ct e d b y e xtr e m e w e at h er p h e n o m e n a, o v er fi s hi n g of t h e s e a s or p oll uti o n of t h e m ari n e e n vir o n m e nt wit h pl a sti c s ( S T 6. 4) ar e b e c o mi n g a p p ar e nt. T hi s m a y l e a d t o a si g ni fi c a ntl y i n cr e a s e d s o ci et al a n d p oliti c al a w ar e n e s s t h at will h el p t o pr o vi d e a n d m ai nt ai n a s oli d s ci e nti fi c b a s e f or t h e d e v el o p m e nt of e fl ci e nt o c e a n m a n a g e m e nt str at e gi e s. S u bt o pi c 6. 2 A d a pt ati o n of m ari n e lif e: fr o m g e n e s t o e c o s y st e m s T h or st e n R e u s c h, G E O M A R; U w e J o h n, A WI S c o p e a n d c h all e n g e s. Gl o b al c h a n g e i m p a ct s or g a ni s m al p h y si ol o g y, p o p ul ati o n d y n a mi c s, s p e ci e s i nt er- a cti o n a n d e c o s y st e m s pr o c e s s e s a cr o s s all s p ati al a n d t e m p or al s c al e s i n t h e o c e a n. H o w or g a ni s m s a n d s p e ci e s c o p e wit h t h e s e c h a n g e s c o n stit ut e s a f u n d a m e nt al a s p e ct i n t h e i nt e gr at e d u n d er st a n di n g of m ari n e e c o s y st e m s a n d t h eir f u n cti o n al bi o di v er sit y. W h at h a s b e e n n e gl e ct e d i n m ari n e e c ol o g y t h u s f ar d u e t o t h e c o m pl e xit y of r e s e ar c h ar e t h e di ff er e nt l e v el s of a d a pt ati o n wit h ti m e fr o m g e n e s t o k e y s p e ci e s, t h eir p o p ul a - ti o n s a n d c o m m u niti e s. E s s e nti all y, t h e s p e ci e s of t o m orr o w m a y n ot r e a ct a n d i nt er a ct t h e s a m e w a y a s t h o s e of t o d a y. T h e m aj or c h all e n g e of t hi s r e s e ar c h t h e m e i s t o el u ci d at e c a u s al m e c h a ni s m s a n d i nt er d e p e n d e n ci e s at di fi er e nt l e v el s of ‘ a d a pt ati o n’ a cr o s s bi ol o gi c al or g a niz ati o n a n d h a bit at s t o i d e ntif y g e n er al pri n ci pl e s of a d a pt ati o n pr o c e s s e s o n di ff er e nt bi o di v er sit y s c al e s. T o t hi s e n d, S T 6. 2 i nt e gr at e s p h y si ol o gi c al a c cli m ati o n a cr o s s di fl er e nt lif e st a g e s, e v ol uti o n ar y a d a pt ati o n at t h e p o p ul ati o n l e v el, a n d c o m m u nit y c o m p o siti o n al s hift s (t h e l att er pr o c e s s i n cl o s e i nt er a cti o n wit h S T 6. 1). A n ot h er k e y g o al i s t o d et er mi n e h o w e n vir o n m e nt all y dri v e n c h a n g e s m a y alt er k e y s p e ci e s i nt er a cti o n s, i n cl u di n g t h eir e fi e ct s o n t h e f u n cti o n al r ol e of a s s o ci at e d mi cr o b e s, a n d i n t ur n, h o w s p e ci e s’ r a n g e s hift s r e s ult i n str o n g a n d n o v el e c ol o gi c al i nt er a cti o n s a n d e v ol u - ti o n ar y c h a n g e. M ai n o bj e cti v e s. W e ar e o nl y b e gi n ni n g t o u n d er st a n d h o w a n d t o w h at e xt e nt s p e ci e s c o m p o siti o n al c h a n g e will t a k e pl a c e t hr o u g h n at ur al r a n g e s hift s i n r e s p o n s e t o cli m at e c h a n g e. Di fi er e nt di s p er s al c a p a biliti e s a m o n g p ol ar a n d m ari n e s p e ci e s will r e s ult i n alt er e d c o m m u nit y c o m p o siti o n b e c a u s e s o m e s p e ci e s will b e a bl e t o mi gr at e wit h t h eir cli m at e r a n g e i n r e al-ti m e, w hil e ot h er s wit h p o or di s p er s al c a p a biliti e s will l a g b e - hi n d. T h e c h a n g e i n bi o di v er sit y, bi o g e o gr a p h y a n d r e- a s s e m bl y of bi ol o gi c al c o m m u niti e s i s e x p e ct e d t o a c c el - er at e a cr o s s all l atit u d e s a n d will r e s ult i n m o di fi e d a n d n o v el bi ol o gi c al a n d c h e mi c al i nt er a cti o n s w hi c h i n t ur n c o n stit ut e n o v el s el e cti o n r e gi m e s. T hi s m a y n ot o nl y dri v e a d a pt ati o n, b ut al s o a fi e ct f u n cti o n al bi o di v er sit y Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 6 9

T o pi c 6: M ari n e a n d P ol ar Lif e: S u st ai ni n g Bi o di v er sit y, Bi oti c I nt er a cti o n s a n d Bi o g e o c h e mi c al F u n cti o n s c o d fi s h e s, di at o m s). A n ot h er f o c u s i s t h e s e n siti vit y t o t h er m al, o x y g e n, a n d a ci di fi c ati o n str e s s a n d t h eir c o m - bi n e d e fi e ct s. I n t er m s of o c e a n w ar mi n g, w e will f oll o w I P C C s c e n ari o s t h at ar e s h ar e d b y ot h er T o pi c s of t h e Pr o gr a m ( 1. 5 ° C, 2 ° C, 4 ° C, a n d 6 ° C). P ot e nti al li mit s t o a d a pt ati o n will b e e x pl or e d b y st u d yi n g di s p er s al pr o - c e s s e s wit h p h y si c al o c e a n o gr a p h er s ( T 2) t h at d et er mi n e g e n e p o ol mi xi n g a n d m aj or m a s s e xti n cti o n e v e nt s i n t h e g e ol o gi c al p a st e x e m plif yi n g f ail e d a d a pt ati o n. T o t hi s e n d, w e will a p pl y g e o c h e mi c al pr o xi e s t o r e c o n- str u ct c h a n g e s i n e n vir o n m e nt al c o n diti o n s t h at l e d t o t h e e xti n cti o n of m aj or m ari n e t a x a. S T 6. 2 will a s s e s s h o w p ol ar a n d o p e n o c e a n f o o d w e b s of t h e f ut ur e will f u n cti o n i n t er m s of tr a n sf er e ff ci e n c y u n d er alt er e d c o m p o siti o n a n d i nt er a cti o n s wit h str o n g i m pli c ati o n s f or t h e t o p of t h e f o o d w e b a n d s er vi c e s t o h u m a n ki n d, i. e., fi s h e s a n d fi s h eri e s. T hi s t a s k will b e p erf or m e d i n cl o s e c oll a b or ati o n wit h T 4 a n d T 5, w hi c h will al s o e x- pl or e, m o d el a n d pr e di ct n o v el f o o d w e b s of t h e f ut ur e i n c o a st al m ari n e, t err e stri al a n d fr e s h w at er h a bit at s. M ari n e h ol o bi o nt s u n d er gl o b al c h a n g e. T h e i nti m at e a s s o ci ati o n of all m ari n e lif e wit h mi cr o bi al c o m m u- niti e s i s a r e c e nt m aj or di s c o v er y i n m ari n e e c ol o g y a n d e v ol uti o n, a n d m a y p a v e t h e w a y t o u n d er st a n d t h e e v ol uti o n of ot h er h ol o bi o nt s y st e m s o n l a n d, i n cl u di n g h u m a n s. T h e f u n cti o n al i m pli c ati o n, t h at all s p e ci e s c o n stit ut e h ol o bi o nt s r at h er t h a n u nit ar y or g a ni s m s 1 7 9 h a s t o b e u n d er st o o d m e c h a ni sti c all y a n d f u n cti o n all y i n t er m s of cr o s s- c o m m u ni c ati o n, c urr e n c y e x c h a n g e d a n d i n h erit a n c e p at h w a y s. Mi cr o bi o m e s e x ert si g ni fi c a nt e c ol o gi c al i m p a ct a n d t h eir f u n cti o n s f or u ni- a n d m ulti c ell ul ar h o st s will b e i n v e sti g at e d al o n g t h e c o nti n u u m fr o m p at h o g e ni c / p ar a siti c t o b e n e fi ci al. H o st- a s s o ci at e d mi cr o bi o m e s ar e al s o e x p e ct e d t o h a v e a str o n g e fl e ct o n l o n g-t er m a d a pt a bilit y. S T 6. 2 ai m s t o i d e ntif y u nif yi n g pri n ci pl e s of t h e a d a pt ati o n of m ari n e h ol o bi - o nt s u n d er gl o b al c h a n g e, u si n g m et a- o mi c t o ol s, hi g h-r e s ol uti o n mi cr o s c o p y, m et a b ol o mi c s a n d c o ntr oll e d e x p eri m e nt ati o n i n s el e ct e d m ari n e mi cr o al g a e a n d i n v ert e br at e s s u c h a s m u s s el s, s p o n g e s, c ni d ari a n s a n d ct e n o p h or e s. 1 8 0 S el e ct e d p ol ar, t e m p er at e a n d tr o pi c al s p e ci e s will b e d e v el o p e d i nt o e x p eri m e nt al m o d el s of h o st- mi cr o b e i nt er a cti o n s. T h e m ai n d eli v er a bl e will b e a n a s s e s s m e nt u n d er w hi c h gl o b al c h a n g e s c e n ari o s b e n e ff ci al h o st- mi cr o b e i nt er a cti o n s br e a k d o w n i nt o d y s bi o si s. E v ol uti o n ar y wi n n er s v s. l o s er s. W hil e t h er e i s i n cr e a si n g d at a wit h r e s p e ct t o p h y si ol o gi c al s e n siti vit y of t a x a t o t h er m al r e gi m e s or o c e a n a ci di fi c ati o n, w e k n o w v er y littl e a b o ut t h e c a p a cit y of m ari n e s p e ci e s t o r e s p o n d b y a d a pti v e e v ol uti o n.1 8 1 H e n c e, k e y m o d el or g a ni s m s i n s e a i c e, p el a gi c a n d b e nt hi c h a bit at s ( pl a n k- t o ni c al g a e, m ari n e i n v ert e br at e s, m a cr o p h yt e s, ff s h e s, c or al s, br a c hi o p o d s a n d ot h er c al cif yi n g or g a ni s m) will b e i n v e sti g at e d wit h r e s p e ct t o w h at e xt e nt t h e y will c o p e wit h l o n g-t er m i m p a ct s of gl o b al c h a n g e s o v er m ulti pl e g e n er ati o n s. P ot e nti al f ut ur e c h a n g e s will b e d e d u c e d fr o m p a st a d a pt ati o n o b s er v a bl e b y c o m p ari n g p o p ul ati o n s or p h yl o g e n eti c gr o u p s al o n g a l atit u di n al cli n e. G e n ot y pi c v ari a bilit y will b e li n k e d t o p h e n ot y pi c pl a sti cit y, b a s e d o n a n i nt e gr at e d a s s e s s m e nt of p h y si ol o gi c al k e y tr ait s, tr a n s cri pt o mi c s, a n d i n di vi d u al v ari - a bilit y. T hi s will b e d o n e i n a c o m pr e h e n si v e w a y al o n g cli m at e gr a di e nt s a n d h ot s p ot s of cli m at e c h a n g e, s u c h a s p ol ar r e gi o n s b ut al s o r e gi o n al t e m p er at e s e a s s u c h a s t h e B alti c S e a t h at c a n s er v e a s a ti m e m a c hi n e f or ot h er o c e a n ar e a s.1 8 2 T h e fl n al d eli v er a bl e will b e a pr e di cti v e a s s e s s m e nt a s t o w hi c h s p e ci e s gr o u p s (f u n cti o n al /t a x o n o mi c) ar e li k el y t o k e e p p a c e wit h e n vir o n m e nt al c h a n g e a n d w hi c h will li k el y g o e xti n ct, i n a c o m p ar ati v e a n al y si s a m o n g p ol ar, t e m p er at e a n d ( s u b)tr o pi c al r e gi o n s. S el e cti o n m u st n ot n e c e s s aril y o p er at e o nl y vi a c h a n gi n g a bi oti c c o n diti o n s. A k e y r e s e ar c h ar e n a will b e n o v el s p e ci e s i nt er a cti o n s ( e c ol o g y) t h at e m er g e, r a n g e s hift s or s p e ci e s i ntr o d u cti o n s a n d h o w t h e s e l e a d t o r a pi dl y e v ol vi n g n o v el a d a pt ati o n s i n d ef e n s e or pr e d ati o n a bilit y ( e v ol uti o n). H o st- p at h o g e n i nt er a cti o n s ar e a n ot h er ar e a w h er e S T 6. 2 r e s e ar c h will st u d y r a pi d a nt a g o ni sti c e v ol uti o n ar y a d a pt ati o n i n r e al ti m e, wit h dir e ct e c ol o gi c al c o n s e q u e n c e s w h e n k e y s p e ci e s ar e dri v e n t o ( n e ar) e xti n cti o n or d e v el o p r e si st a n c e. E c o- e v ol uti o n ar y f e e d b a c k s. Gi v e n t h at t h er e ar e n o w c o m p elli n g e x a m pl e s of s wift e v ol uti o n ar y a d a pt a - ti o n fr o m al g a e, i n v ert e br at e s a n d fi s h e s, st u di e s o n t h e f e e d b a c k l o o p s a m o n g e v ol uti o n ar y a d a pt ati o n a n d 1 7 9 * M c F all- N g ai M, H a d fi el d M G, B o s c h T C G, C ar e y H V, D o m az et- L o š o T, D o u gl a s A E, D u bili er N, E b erl G, F u k a mi T, Gil b ert S F, et al. 2 0 1 3. A ni m al s i n a b a ct eri al w orl d, a n e w i m p er ati v e f or t h e lif e s ci e n c e s. Pr o c N atl A c a d S ci U S A. 1 1 0: 3 2 2 9 – 3 2 3 6. 1 8 0 * Pit a L, Ri x L, Sl a b y B M, Fr a n k e A, H e nt s c h el U. 2 0 1 8. T h e s p o n g e h ol o bi o nt i n a c h a n gi n g o c e a n: fr o m mi cr o b e s t o e c o s y st e m s. Mi cr o bi o m e. 6: 4 6. 1 8 1 * D a hl k e F T, B utzi n M, N a hr g a n g J, P u v a n e n dr a n V, M ort e n s e n A, P ört n er H O, St or c h D. 2 0 1 8. N ort h er n c o d s p e ci e s f a c e s p a w ni n g h a bit at l o s s e s if gl o b al w ar mi n g e x c e e d s 1. 5 ° C. S ci A d v. 4( 1 1): e a a s 8 8 2 1. 1 8 2 * R e u s c h T B H, Di er ki n g J, A n d er s s o n H C, B o n s d or fi E, C ar st e n s e n J, C a si ni M, Cz aj k o w s ki M, H a sl er B, Hi n s b y K, H y yti äi n e n K, et al. 2 0 1 8. T h e B alti c S e a a s a ti m e m a c hi n e f or t h e f ut ur e c o a st al o c e a n. S ci A d v. 4: e a ar 8 1 9 5. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 7 1

T o pi c 6: M ari n e a n d P ol ar Lif e: S u st ai ni n g Bi o di v er sit y, Bi oti c I nt er a cti o n s a n d Bi o g e o c h e mi c al F u n cti o n s t h e br o a d er pi ct ur e a n d s y nt h e si s i n mi n d will b e c h all e n gi n g. E vi d e ntl y, S T 6. 2 will n e e d t o fi n d a n i nt elli g e nt str at e g y of s el e cti n g a f e w s y st e m s w h er e r e s e ar c h er s c ut d e e p, w hil e at t h e s a m e ti m e tr yi n g t o c o v er s e v er al di fi er e nt k e y f u n cti o n al t a x o n o mi c gr o u p s a n d h a bit at s i n a c o or di n at e d a n d j oi nt e fi ort t o d eli v er o ur g o al s. W e e n vi s a g e t h at w e cl o s el y c oll a b or at e wit h T 4 t o h a v e a c o m pl e m e nt ar y s et of c o a st al st u d y s p e ci e s, i n - t er a cti o n s a n d c o m m u niti e s. E st a bli s hi n g n o v el m o d el s y st e m s t o st u d y h ol o bi o nt pr o c e s s e s of h o st- mi cr o b e i nt er a cti o n s u n d er c o ntr oll e d c o n diti o n s i s n ot tri vi al a n d m a y r e q uir e y e ar s. A p arti c ul ar c h all e n g e of t hi s S T i s t h e e v er-i n cr e a si n g a m o u nt of d at a i n p arti c ul ar i n t er m s of g e n o mi c s, a n d m et a b ol o mi c s, w hi c h r e q uir e a n e w g e n er ati o n of ( d o ct or al) r e s e ar c h er s ff u e nt i n s u c h m ulti v ari at e, l ar g e- s c al e d at a a n al y s e s. S T 6. 2 i s a cti v el y p ur s ui n g a str at e g y t o e n h a n c e c a p a biliti e s i n t h at ar e n a, f or e x a m pl e b y c o ntri b uti n g s e v er al bi oi nf or m ati c s pr oj e ct s t o t h e M ar D A T A H el m h oltz D at a S ci e n c e S c h o ol, a n d b y e n g a gi n g i n H el m h oltz I n k u b at or a n d N F DI pr o c e s s e s f o c u si n g o n bi oi nf or m ati c s a n d m et a d at a. A h u g e o p p ort u nit y i s t h at r e s e ar c h er s w or ki n g fr o m tr o p - i c al t o p ol ar r e gi o n s ar e i nt e gr at e d i n o n e c o or di n at e d Pr o gr a m. Li k e wi s e, o ur a p pr o a c h t o c o n d u ct r e s e ar c h o n m a n y l e v el s of bi ol o gi c al or g a niz ati o n, fr o m g e n e s t o e c o s y st e m s, a n d wit h cl o s e c oll a b or ati o n of m ari n e a n d t err e stri al st u di e s i s u ni q u e a n d will h el p i nt e gr ati n g m ari n e bi ol o gi c al s ci e n c e s. S u bt o pi c 6. 3 T h e f ut ur e bi ol o gi c al c ar b o n p u m p M ort e n I v er s e n, A WI; A nj a E n g el, G E O M A R S c o p e a n d c h all e n g e s. M ari n e e c o s y st e m s dri v e t h e bi ol o gi c al c ar b o n p u m p w h er e p h yt o pl a n kt o n c o n v ert s di s s ol v e d i n or g a ni c c ar b o n ( DI C) i nt o or g a ni c m att er t h at si n k s or i s s u b d u ct e d i nt o t h e o c e a n’ s i nt eri or cr e - ati n g a d e fi cit i n DI C a n d C O 2 i n t h e s urf a c e o c e a n. T hi s d e fi cit i s r e pl e ni s h e d b y C O - u pt a k e fr o m t h e at m o- 2 s p h er e l e a di n g t o a n o v er all r e d u cti o n i n at m o s p h eri c C O 2 l e v el s b y c a. 2 0 0 p p m.1 8 4 S T 6. 3 will st u d y t h e bi ol o gi c al c ar b o n p u m p, it s li n k t o t h e p h y si c al p u m p a n d it s r e s p o n s e t o gl o b al c h a n g e 1 8 5 o v er t h e e ntir e o c e a n s y st e m ( Fi g. 6. 5). A c o m pr e h e n si v e a s s e s s m e nt of t h e bi ol o gi c al p u m p will r e q uir e a m ulti di s ci pli n ar y a p pr o a c h utilizi n g n u m eri c al m o d eli n g, s hi p- b a s e d st u di e s, i n sit u e x p eri m e nt ati o n, r e m ot e s e n si n g, a ut o n o m o u s u n d er w at er o b s er v ati o n s, s m art s e n s or s, m et a- o mi c t e c h ni q u e s, m ol e c ul ar-l e v el c h e m - i c al a n al y s e s a n d fi u x m e a s ur e m e nt at o c e a n i nt erf a c e s. M ai n o bj e cti v e s. W e ai m t o i) u n d er st a n d h o w pri m ar y pr o d u cti o n a n d t h e e x p ort of or g a ni c m att er fr o m t h e s urf a c e o c e a n i nt o t h e o c e a n’ s i nt eri or ar e c o ntr oll e d b y t h e c o m p o siti o n a n d str u ct ur e of pl a n kt o n c o m m u - niti e s a n d t h e i ntri c at e i nt er pl a y of t h eir i n di vi d u al m e m b er s, ii) q u a ntif y or g a ni c m att er c o n s u m pti o n i n t h e w at er c ol u m n a n d fi u x e s t o t h e s e a b e d, a n d iii) d e ci p h er h o w p h y si c al, c h e mi c al, a n d bi ol o gi c al dri v er s a fl e ct n et pri m ar y pr o d u cti o n, e x p ort e ff ci e n c y, d e gr a d ati o n a n d a g gr e g ati o n pr o c e s s e s, or g a ni c m att er fi u x e s a n d t h e u pt a k e of C O2 fr o m t h e at m o s p h er e. F urt h er m or e, t o g et h er wit h T 2, T 4 a n d o ur n et w or k of p art n er s, w e will i v) pr e di ct o c e a n pr o d u cti vit y, or g a ni c c ar b o n ff u x e s a n d fl s h er y yi el d s o v er a r a n g e of I P C C s c e n ari o s i n cl u di n g k n o wl e d g e fr o m p a st v ari ati o n s. W or k pr o gr a m. E n vir o n m e nt al c o ntr ol s o n or g a ni c m att er e x p ort a n d fi u x e s a cr o s s t h e o c e a n / at m o - s p h er e i nt erf a c e. O c e a n w ar mi n g, a ci di fi c ati o n, d e o x y g e n ati o n a n d e n h a n c e d str ati fi c ati o n ar e pr oj e ct e d t o c h a n g e t h e str u ct ur e of pl a n kt o ni c c o m m u niti e s, o c e a n pr o d u cti vit y, e x p ort of or g a ni c m att er, a n d t h e C O 2 u pt a k e fr o m t h e at m o s p h er e. 1 8 6, 1 8 7, 1 8 8 T o d e ci p h er t h e s e c o m pl e x p h y si c al- c h e mi c al- bi ol o gi c al c o u pli n g s, w e will p erf or m m ulti di s ci pli n ar y st u di e s o n t h e f u n cti o n alit y of t h e bi ol o gi c al p u m p i n t h e Ar cti c, S o ut h er n O c e a n a n d i n e a st er n b o u n d ar y u p w elli n g s y st e m s. W e will e m pl o y n o v el Bi o g e o c h e mi c al- Ar g o fi o at s, i c e a n d d e e p- s e a m o ori n g s a n d l a n d er s e q ui p p e d wit h e. g., o pti c al, o x y g e n, p H a n d nitr at e s e n s or s t o pr o vi d e i n si g ht i nt o 1 8 4 M ari n o v I, F oll o w s M, G n a n a d e si k a n A, S ar mi e nt o J L, Sl at er R D. 2 0 0 8. H o w d o e s o c e a n bi ol o g y a fi e ct at m o s p h eri c p C O a n d m o d el s. J G e o p h y s R e s O c e a n. 1 1 3: 2 0. 1 8 5 * Ri e b e s ell U, K örtzi n g er A, O s c hli e s A. 2 0 0 9. S e n siti viti e s of m ari n e c ar b o n fi u x e s t o o c e a n c h a n g e. Pr o c N atl A c a d S ci U S A. 1 0 6: 2 0 6 0 2 – 2 0 6 0 9. 1 8 6 * L a uf k ött er C, V o gt M, Gr u b er N, Ait a- N o g u c hi M, A u m o nt O, B o p p L, B uit e n h ui s E, D o n e y S C, D u n n e J, H a s hi o k a T, et al. 2 0 1 5. Dri v er s a n d u n c ert ai nti e s of f ut ur e gl o b al m ari n e pri m ar y pr o d u cti o n i n m ari n e e c o s y st e m m o d el s. Bi o g e o s ci e n c e s. 1 2: 6 9 5 5 – 6 9 8 4. 1 8 7 M ar s a y C M, S a n d er s RJ, H e n s o n S S, P a b ort s a v e K, A c ht er b er g E P, L a m pitt R S. 2 0 1 5. Att e n u ati o n of si n ki n g p arti c ul at e or g a ni c c ar b o n fi u x t hr o u g h t h e m e s o p el a gi c o c e a n. Pr o c N atl A c a d S ci U S A. 1 1 2( 4 ):1 0 8 9 – 1 0 9 4. 1 8 8 *B o eti u s A, Al br e c ht S, B a k k er K, Bi e n h ol d C, F el d e n J, F er n a n d ez- M e n d ez M, H e n dri c k s S, K atl ei n C, L al a n d e C, Kr u m p e n T, et al. 2 0 1 3. E x p ort of al g al bi o m a s s fr o m t h e m elti n g Ar cti c s e a i c e. S ci e n c e. 3 3 9: 1 4 3 0 – 1 4 3 2. ? T h e or y 2 Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 7 3

T o pi c 6: M ari n e a n d P ol ar Lif e: S u st ai ni n g Bi o di v er sit y, Bi oti c I nt er a cti o n s a n d Bi o g e o c h e mi c al F u n cti o n s W e will g at h er d at a s et s of mi cr o bi al a n d m ulti c ell ul ar pl a n kt o n e c ol o g y c o v eri n g t h e s e a s o n al a n d s p ati al v ari - a bilit y of r e pr e s e nt ati v e e c o s y st e m t y p e s. T h e s e d at a will b e e v al u at e d i n c o o p er ati o n wit h S T 6. 1 a n d S T 6. 2 t o e x pl or e h o w cl a s si c al ( dir e ct c o n s u m pti o n a n d m o v e m e nt of c ar b o n t o hi g h er tr o p hi c l e v el s) a n d alt er n ati v e ( e. g., p ar a siti s m a n d vir al l y si s, b e n e fi ci al i nt er a cti o n s wit h mi cr o b e s) f o o d w e b p at h w a y s a n d p h y si ol o gi c al str at e gi e s a fi e ct e x p ort e fi ci e n c y. T o f urt h er u nr a v el t h e s e d y n a mi c s, w e will e m pl o y e x p eri m e nt al a p pr o a c h - e s 1 9 0 a s w ell a s a c o m bi n ati o n of r e m ot e s e n si n g, u n d er w at er i m a gi n g a n d ff el d s ur v e y s a cr o s s e n vir o n m e nt al gr a di e nt s. F urt h er m or e, w e will i m pl e m e nt m ol e c ul ar a n d st a bl e i s ot o p e t e c h ni q u e s t o di s s e ct c o m m u nit y c o m p o siti o n i n cl u di n g mi cr o b e s a n d tr o p hi c c ar b o n tr a n sf er. T h e k n o wl e d g e g ai n e d will b e a p pli e d t o i m pr o v e tr a c er a p pr o a c h e s a n d g e n o mi c a p pli c ati o n s (i n cl u di n g e n vir o n m e nt al D N A) f or i n sit u s e n si n g. C oll e cti v el y, t h e s e st u di e s will all o w u s t o e x pl or e h o w m a n y st at e s, str u ct ur e s, a n d fi u x e s ar e n e e d e d t o a d e q u at el y c h ar a c- t eriz e pl a n kt o n e c o s y st e m s a n d i n c or p or at e t h e bi ol o gi c al c o ntr ol s o n c ar b o n e x p ort i n gl o b al o c e a n m o d el s. C ar b o n t ur n o v er i n t h e m e s o p el a gi c o c e a n. Si n ki n g p arti cl e s ar e t h e m ai n v e hi cl e f or c ar b o n tr a n s p ort fr o m t h e s urf a c e t o t h e o c e a n i nt eri or. Mi cr o bi al a cti vit y, z o o pl a n kt o n f e e di n g, a n d p arti cl e di si nt e gr ati o n /r e mi n - er aliz ati o n i n t h e m e s o p el a gi c r e al m f urt h er m o dif y p arti cl e si n ki n g fi u x e s b el o w t h e pr o d u cti v e s urf a c e l a y er. T h e o n g oi n g d e o x y g e n ati o n i n d e e p er l a y er s of t h e o c e a n a s s o ci at e d wit h p o orl y v e ntil at e d s h a d o w z o n e s a n d hi g hl y pr o d u cti v e u p w elli n g r e gi o n s will li k el y r e s ult i n a r e d u c e d att e n u ati o n of c ar b o n fi u x e s, w hil st o c e a n w ar mi n g m a y i n cr e a s e att e n u ati o n vi a e n h a n c e d mi cr o bi al d e gr a d ati o n a c c o m p a ni e d b y s hift s i n mi cr o bi o m e c o m p o siti o n. R e c e nt o b s er v ati o n s s h o w t h e pr e s e n c e of a b u n d a nt or g a ni c p arti cl e a g gr e g at e s h ar b ori n g a v a - ri et y of a s s o ci at e d mi cr o bi al c o m m u niti e s i n t h e m e s o p el a gi c z o n e, a n d s u g g e st t h at or g a ni c m att er c y cli n g i n t h e o c e a n i nt eri or i s m or e d y n a mi c t h a n pr e vi o u sl y t h o u g ht.1 9 1 T hi s i n cl u d e s t h e i m p a ct of m e s o s c al e f e at ur e s li k e fil a m e nt s, fr o nt s a n d e d di e s o n p arti c ul at e a n d di s s ol v e d m att er di stri b uti o n at mi d w at er d e pt h a n d t h e or g a ni c a n d i n or g a ni c m att er s u p pl y d u e t o di el v erti c al mi gr ati o n s of z o o pl a n kt o n a n d n e kt o n. 1 9 2 W e will u s e c h e mi c al tr a c er s ( e. g., 2 3 4 T h), s e di m e nt tr a p s, m ari n e s n o w c at c h er s, o pti c al, a c o u sti c al a n d n et- b a s e d t e c h ni q u e s t o d et er mi n e t h e di stri b uti o n, c o m p o siti o n a n d st oi c hi o m etr y of pl a n kt o n a n d p arti cl e s, a s w ell a s c ar b o n e x p ort fl u x e s i n t h e m e s o p el a gi c at k e y sit e s ( e. g., C V O O, LT E R H a u s g art e n, M O S Ai C, W e d d ell S e a). A s p e ci al f o c u s will b e pl a c e d o n t h e e st a bli s h m e nt a n d a n al y si s of y e ar-r o u n d s y n c hr o n o u s ti m e s eri e s o b - s er v ati o n s of r el e v a nt p ar a m et er s u si n g d e pl o y e d m o ori n g arr a y s ( e. g., s e di m e nt ff u x, p arti cl e di stri b uti o n, p h y s - i c al a n d c h e mi c al p ar a m et er s), c o m bi n e d wit h s hi p- b a s e d s a m pli n g ( e. g., c hr o m o p h ori c di s s ol v e d or g a ni c m at- t er pr o fil e s, hi g h-r e s ol uti o n p arti cl e pr o ffli n g) a n d u s a g e of a ut o n o m o u s d e vi c e s ( e. g., B G C- Ar g o fl o at s, A U V s). A n al y si s of i m a g e d at a fr o m g el tr a p s a n d i n sit u i m a gi n g u nit s will i n cl u d e t h e c h ar a ct eriz ati o n of c h a n g e s i n p arti cl e m or p h ol o g y a n d p or o sit y u si n g m a c hi n e-l e ar ni n g t e c h ni q u e s. St u di e s f o c u si n g o n m e s o s c al e f e at ur e i m p a ct s a n d d e gr a d ati o n d y n a mi c s will c o m pl e m e nt t hi s w or k a n d will h el p u s t o i d e ntif y bi ol o gi c al, c h e mi c al a n d p h y si c al pr o c e s s e s t h at m o dif y p arti cl e s a n d h e n c e c ar b o n e x p ort e fi ci e n ci e s i n t h e m e s o p el a gi c o c e a n. C ar b o n fi u x e s a cr o s s t h e s e a b e d. S e a fi o or s e di m e nt s s er v e a s t h e ulti m at e si n k f or c ar b o n pr o vi d e d b y t h e bi ol o gi c al p u m p. M or e o v er, t h e r ai n of p arti c ul at e or g a ni c m att er ( P O M) t o t h e s e a fi o or dri v e s a r a n g e of mi cr o bi al r e d o x r e a cti o n s t h at l ar g el y c o ntr ol t h e n utri e nt ( nitr at e, p h o s p h at e, ir o n) i n v e nt or y of t h e gl o b al o c e a n. 1 9 3 Fl u x e s of P O M r e a c hi n g t h e s e a fi o or ar e hi g hl y v ari a bl e b ot h i n ti m e a n d s p a c e. Si n c e t h eir s p ati al a n d t e m p or al v ari a bilit y w a s n e v er f ull y r e s ol v e d, c urr e nt b u d g et s of c ar b o n fi u x e s t o t h e s e a b e d ar e p o orl y c o n str ai n e d. 1 9 4 T o e x pl or e t h e d y n a mi c s of b e nt hi c P O M fi u x e s a n d d e gr a d ati o n r at e s, w e will d e v el o p o b s er v a- t ori e s at t h e s e a b e d t h at will r e gi st er p arti cl e fi u x e s (i n cl u di n g l ar g e f o o d f all s), b e nt hi c d e gr a d ati o n r at e s, a n d b ott o m c urr e nt v el o citi e s o v er a f ull y e ar ( at e. g., F R A M at L T E R H a u s g art e n a n d C a p V er d e / W e st Afri c a). T h e 1 9 0 * Ri e b e s ell U, A b erl e- M alz a h n N, A c ht er b er g E P, Al g u er o- M u niz M, Al v ar ez- F er n a n d ez S, Ari st e g ui J, B a c h L T, B o er s m a M, B o x h a m m er T, G u a n W C, et al. 2 0 1 8. T o xi c al g al bl o o m i n d u c e d b y o c e a n a ci di fi c ati o n di sr u pt s t h e p el a gi c f o o d w e b. N at Cli m C h a n g e. 8: 1 0 8 2. 1 9 1 Arri et a J M, M a y ol E, H a n s m a n R L, H er n dl GJ, Ditt m ar T, D u art e C M. 2 0 1 5. Dil uti o n li mit s di s s ol v e d or g a ni c c ar b o n utiliz ati o n i n t h e d e e p o c e a n. S ci e n c e. 3 4 8: 3 3 1 – 3 3 3. 1 9 2 * Ki k o R, Bi a st o c h A, Br a n dt P, Cr a v att e S, H a u s s H, H u m m el s R, Kri e st I, M ari n F, M c D o n n ell A M P, O s c hli e s A, et al. 2 0 1 7. Bi ol o gi c al a n d p h y si c al i n fl u e n c e s o n m ari n e s n o wf all at t h e e q u at or. N at G e o s ci. 1 0: 8 5 2 – 8 5 8. 1 9 3 * D al e A W, Ni c k el s e n L, S c h olz F, H e n s e n C, O s c hli e s A, W all m a n n K. 2 0 1 5. A r e vi s e d gl o b al e sti m at e of di s s ol v e d ir o n fl u x e s fr o m m ari n e s e di m e nt s. Gl o b Bi o g e o c h e m C y cl e s. 2 9: 6 9 1 – 7 0 7. 1 9 4 * S olt w e d el T, B a u erf ei n d E, B er g m a n n M, Br a c h er A, B u d a e v a N, B u s c h K, C h er k a s h e v a A, F a hl K, Gr z el a k K, H a s e m a n n C, et al. 2 0 1 6. N at ur al v ari a bilit y or a nt hr o p o g e ni c all y-i n d u c e d v ari ati o n ? I n si g ht s fr o m 1 5 y e ar s of m ulti di s ci pli n ar y o b s er v ati o n s at t h e ar cti c m ari n e L T E R sit e H A U S G A R T E N. E c ol I n di c. 6 5: 8 9 – 1 0 2. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 7 5

T o pi c 6: M ari n e a n d P ol ar Lif e: S u st ai ni n g Bi o di v er sit y, Bi oti c I nt er a cti o n s a n d Bi o g e o c h e mi c al F u n cti o n s y g e n d y n a mi c s i n t h e o c e a n vi a Bi o g e o c h e mi c al- Ar g o fi o at s. M 6. 8- 3 ( 2 0 2 4): R e gi o n al b u d g et s of b e nt hi c c ar b o n fi u x e s. • D 6. 9 ( 2 0 2 7): R e p ort o n t h e C O2 u pt a k e i n t h e o c e a n f or a 1. 5 ° C, 2 ° C a n d 4 ° C w ar m er w orl d r el ati v e t o pr ei n d u stri al ti m e. M 6. 9- 1 ( 2 0 2 5): A s s e s s m e nt of pr o d u cti vit y d y n a mi c s i n a c h a n gi n g o c e a n. M 6. 9- 2 ( 2 0 2 5): A s s e s s m e nt of or g a ni c c ar b o n d e gr a d ati o n d y n a mi c s. Ri s k s a n d O p p ort u niti e s. O ur u n d er st a n di n g of t h e m a n y c h e mi c al, bi ol o gi c al a n d p h y si c al pr o c e s s e s t h at c o n stit ut e t h e bi ol o gi c al c ar b o n p u m p a n d t h eir s e n siti vit y a n d f e e d b a c k p ot e nti al t o gl o b al c h a n g e i s still v er y li mit e d. T o, n e v ert h el e s s, d e c o d e t hi s c o m pl e x s y st e m a n d r e d u c e u n c ert ai nti e s wit h r e g ar d t o t h e o c e a n’ s c ar b o n s e q u e str ati o n fr o m t h e at m o s p h er e w e will m a k e f ull u s e of n o v el m et h o d ol o gi c al a p pr o a c h e s ( e. g., ‘ o mi c s’, i n sit u s e n si n g, d e e p- s e a t e c h n ol o gi e s, d at a s ci e n c e t e c h ni q u e s) a n d t h e T 6 fr a m e w or k t h at will f or t h e fir st ti m e e n a bl e u s t o f ull y i nt e gr at e bi ol o gi c al a n d bi o g e o c h e mi c al pr o c e s s st u di e s c o v eri n g t h e e ntir e o c e a n s y st e m. W e will f urt h er b e n e fft fr o m t h e l o n g-t er m r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e d e v el o p e d a n d m ai nt ai n e d b y G E O M A R i n C a p e V er d e a n d t h e str o n g c oll a b or ati o n s wit hi n t h e Pr o gr a m ( T 2 a n d T 4) a n d wit h o ur n ati o n al a n d i nt er n ati o n al p art n er s. S u bt o pi c 6. 4 U s e a n d mi s u s e of t h e o c e a n: C o n s e q u e n c e s f or m ari n e e c o s y st e m s Eri k A c ht er b er g, G E O M A R; G u n n ar G er dt s, A WI S c o p e a n d c h all e n g e s. E xtr a cti o n of m ari n e r e s o ur c e s, i nt e nti o n al a n d u ni nt e nti o n al w a st e di s p o s al a n d e mi s si o n of a nt hr o p o g e ni c n oi s e ar e e x erti n g str o n g pr e s s ur e s o n m ari n e e c o s y st e m s ( Fi g. 6. 6). S T 6. 4 will i n v e sti g at e h o w e c o s y st e m s r e s p o n d t o t h e s e h u m a n i nt er v e nti o n s a n d i d e ntif y str at e gi e s t o mi ni miz e t h eir h ar mf ul e n vir o n m e nt al e fi e ct s. Fi g. 6. 6: R e s e ar c h o bj e cti v e s of S T 6. 4: U s e a n d mi s u s e of t h e o c e a n: C o n s e q u e n c e s f or m ari n e e c o s y st e m s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 7 7

T o pi c 6: M ari n e a n d P ol ar Lif e: S u st ai ni n g Bi o di v er sit y, Bi oti c I nt er a cti o n s a n d Bi o g e o c h e mi c al F u n cti o n s A s s e s si n g a n d m o d eli n g t h e h ori z o nt al a n d v erti c al tr a n s p ort of pl a sti c d e bri s fr o m c o nti n e nt al c o a st s t o t h e o p e n o c e a n. T h e fi u x e s of pl a sti c d e bri s fr o m t err e stri al p oll uti o n s o ur c e s a cr o s s ri v er s, e st u ari e s a n d s h elf s e a s t o t h e o p e n o c e a n, i n cl u di n g i nt er m e di at e d e p o- c e nt er s al o n g t h e tr a n s p ort p at h w a y s, ar e still p o orl y u n d er st o o d. C urr e ntl y, 5- 1 3 Mt of pl a sti c d e bri s ar e b eli e v e d t o e nt er t h e o c e a n s fr o m l a n d e v er y y e ar, b ut o nl y 1 % of t hi s h a s b e e n f o u n d i n t h e s urf a c e o c e a n. 2 0 0 T h e f at e of t h e mi s si n g pl a sti c h a s b e e n e x pl ai n e d b y v ari o u s pr o c e s s e s, f or i n st a n c e b y t h e n e g ati v el y b u o y a nt c h ar a ct er of 5 0 % of pl a sti c d e bri s w hi c h si n k s t o t h e s e a fi o or w h er e it a c c u m ul at e s o v er ti m e.2 0 1 M or e o v er, pl a sti c p arti cl e s b e c o m e h e a vi er o v er ti m e a s t h e y ar e c ol o niz e d b y bi ot a. 2 0 2 T h e r e s ulti n g d o w n w ar d tr a n s p ort i s f a cilit at e d b y t h e bi ol o gi c al c ar b o n p u m p a n d c o n stit ut e s t h e m o st e fi ci e nt m e c h a ni s m f or pl a sti c r e m o v al i n t h e o c e a n. W e will i n v e sti g at e b ot h pr o c e s s e s si m ult a n e o u sl y, i. e., t h e bi ol o gi c al c ar b o n p u m p ( S T 6. 3) a n d v erti c al pl a sti c tr a n s p ort wit h r el at e d or e v e n i d e nti c al m et h o d s. A f urt h er fr a cti o n i s d e p o sit e d al o n g c o a stli n e s2 0 3 w hil e a n u n k n o w n pr o p orti o n i s t a k e n u p a n d tr a n s p ort e d b y m ari n e or g a ni s m s. Littl e k n o wl e d g e e xi st s o n tr o p hi c tr a n sf er a n d a c c u m ul ati o n of pl a sti c d e bri s i n m ari n e f o o d w e b s a n d o n e n vir o n m e nt al i m p a ct s o n s e a i c e, p el a gi c a n d d e e p- s e a e c o s y st e m s. W e will e x pl or e t h e c o n s e q u e n c e s of pl a sti c i n g e sti o n b y ff s h a n d m ari n e filt er-f e e di n g or g a ni s m s a n d t h eir p ot e n - ti al e fi e ct s u p o n or g a ni s m f u n cti o n i n c oll a b or ati o n wit h S T 6. 2 a n d Ki el U ni v er sit y ( C A U). O ur fi el d w or k will f o c u s o n t h e N ort h Atl a nti c a n d Ar cti c r e gi o n s. It will i n cl u d e t h e i n v e sti g ati o n of t h e d o w n - w ar d tr a n s p ort f a cilit at e d b y t h e bi ol o gi c al p u m p a n d pl a sti c p oll uti o n al o n g t h e l at er al tr a n s p ort p at h w a y fr o m s el e ct e d ri v er e st u ari e s o n b ot h si d e s of t h e N ort h Atl a nti c ( e. g., R hi n e, El b e, W e s er, St. L a wr e n c e, Si b eri a n ri v er s) a cr o s s s h elf s e a ar e a s (li n k t o T 4) t o w ar d s t h e N ort h Atl a nti c g yr e a n d t h e Ar cti c. F urt h er s e a- g oi n g e x p e diti o n s a n d e x p eri m e nt s ( e. g., M O S Ai C) will all o w o bt ai ni n g a m e c h a ni sti c a n d q u a ntit a - ti v e u n d er st a n di n g of bi ot a- m e di at e d tr a n s p ort a n d fr a g m e nt ati o n pr o c e s s e s, p ot e nti al mi cr o bi ol o gi c al e fi e ct s, a n d i m p a ct s o n m ari n e s p e ci e s. T hi s w or k i s a m e n d e d b y o c e a n o b s er v ati o n st u di e s c o n d u ct e d a n n u all y at t h e C a p e V er d e sit e a n d t h e L T E R H a u s g art e n. Q u a nti fl c ati o n of mi cr o pl a sti c s a n d pl a sti c d e bri s i n all s p h er e s i n a st a n d ar diz e d a p pr o a c h will all o w u s t o i d e ntif y hi d d e n si n k s. 2 0 4 T hr o u g h r e p e at e d m e a s ur e m e nt s, w e will d eli n- e at e t e m p or al tr e n d s, w hi c h i s cr u ci al t o a s s e s s t h e e ff ci e n c y of miti g ati o n m e a s ur e s i n cl u di n g t h e E U Pl a sti c s Str at e g y. Pr oj e ct o ut c o m e s will b e c o m m u ni c at e d e fi e cti v el y t o t h e p u bli c b y vi d e o s, bl o g s a n d arti cl e s a n d vi a t h e o nli n e p ort al LI T T E R B A S E, w hi c h i s r u n b y t h e A WI si n c e 2 0 1 7. S ci e nti ff c d at a c o m pil e d i n LI T T E R B A S E will al s o b e u s e d f or s ci e nti fl c m et a- a n al y s e s t o d e d u c e gl o b al p att er n s i n t h e di stri b uti o n of m ari n e d e bri s. E fi e ct s of a nt hr o p o g e ni c u n d er w at er n oi s e. A nt hr o p o g e ni c u n d er w at er n oi s e i s pr e v al e nt t hr o u g h o ut t h e w orl d’ s o c e a n s, a n d a fi e ct s m a n y a q u ati c s p e ci e s r el yi n g o n s o u n d f or c o m m u ni c ati o n, ori e nt ati o n or f or a g - i n g. N oi s e h a s b e e n s h o w n t o i nt erf er e wit h criti c al lif e f u n cti o n s of a q u ati c or g a ni s m s i n cl u di n g fit n e s s, a n d c o m m u ni c ati o n a n d m a y c o m pr o mi s e h a bit at q u alit y 2 0 5 a n d e c o s y st e m f u n cti o n s. H er e w e will i n v e sti g at e h o w c hr o ni c n oi s e a fi e ct s u n d er w at er a c o u sti c h a bit at q u alit y b y c o m p ari n g t w o p ol ar r e gi o n s ( W e d d ell S e a a n d Fr a m Str ait) wit h str o n gl y di fi eri n g u n d er w at er n oi s e r e gi m e s. 2 0 6 S T 6. 4 will pr o vi d e b a s eli n e i nf or m ati o n o n t h e c o m p o siti o n a n d n oi s e b u d g et of a virt u all y a nt hr o p o g e ni c n oi s e-fr e e o c e a n r e gi o n ( W e d d ell S e a i n t h e Atl a nti c s e ct or of t h e S o ut h er n O c e a n) – a s a fir st-ti m e r ef er - e n c e of u n d er w at er n at ur al s o u n d s c a p e s – a n d c o m p ar e t h e n oi s e b u d g et s a n d bi oti c a c o u sti c a s s e m bl a g e c o m p o siti o n b et w e e n t hi s r ef er e n c e a n d a fi e ct e d s o u n d s c a p e s i n t h e Ar cti c Fr a m Str ait. L o n g-t er m p a s si v e a c o u sti c o b s er v ati o n s i n t h e W e d d ell S e a will c o n stit ut e t h e b a si s f or a s s e s si n g t h e r ef er e n c e n oi s e b u d g et a n d 2 0 0 v a n S e bill e E, Wil c o x C, L e br et o n L, M a xi m e n k o N, H ar d e st y B D, v a n Fr a n e k er J A, Eri k s e n M, Si e g el D, G al g a ni F, L a w K L. 2 0 1 5. A gl o b al i n v e nt or y of s m all fi o ati n g pl a sti c d e bri s. E n vir o n R e s L ett. 1 0( 1 2): 1 2 4 0 0 6. 2 0 1 * T e k m a n M B, Kr u m p e n T, B er g m a n n M. 2 0 1 7. M ari n e litt er o n d e e p Ar cti c s e a fi o or c o nti n u e s t o i n cr e a s e a n d s pr e a d s t o t h e N ort h at t h e H A U S G A R T E N o b s er v at or y. D e e p- S e a R e s I. 1 2 0: 8 8 – 9 9. 2 0 2 I bi d. 2 0 3 * B er g m a n n M, L utz B, T e k m a n M B, G ut o w L. 2 0 1 7. Citiz e n s ci e nti st s r e v e al: M ari n e litt er p oll ut e s Ar cti c b e a c h e s a n d a fl e ct s wil d lif e. M ar P oll ut B ull. 1 2 5( 1- 2): 5 3 5 – 5 4 0. 2 0 4 T h o m p s o n R C, Ol s e n Y, Mit c h ell R P, D a vi s A, R o wl a n d SJ, J o h n A W G, M c G o ni gl e D, R u s s ell A E. 2 0 0 4. L o st at S e a: W h er e I s All t h e Pl a sti c ?. S ci e n c e. 3 0 4( 5 6 7 2): 8 3 8. 2 0 5 * Sl a b b e k o or n H, B o ut o n N, v a n O pz e el a n d I, C o er s A, t e n C at e C, P o p p er A N. 2 0 1 0. A n oi s y s pri n g: t h e i m p a ct of gl o b all y ri si n g u n d er w at er s o u n d l e v el s o n fl s h. Tr e n d s E c ol E v ol. 2 5( 7): 4 1 9 – 4 2 7. 2 0 6 J o n e s K R, Kl ei n CJ, H al p er n B S, V e nt er O, Gr a nt h a m H, K u e m p el C D, S h u m w a y N, Fri e dl a n d er A M, P o s si n g h a m H P, W at s o n J E M. 2 0 1 8. T h e l o c ati o n a n d pr ot e cti o n st at u s of E art h’ s di mi ni s hi n g m ari n e wil d er n e s s. C urr Bi ol. 2 8( 1 5): 2 5 0 6 – 2 5 1 2. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 7 9

T o pi c 6: M ari n e a n d P ol ar Lif e: S u st ai ni n g Bi o di v er sit y, Bi oti c I nt er a cti o n s a n d Bi o g e o c h e mi c al F u n cti o n s I nfr a str u ct ur e s a n d r e s o ur c e s. L KII i nfr a str u ct ur e s u c h a s t h e R V P ol ar st er n (t o b e r e pl a c e d b y P ol ar st er n II), H ei n c k e, Al k or a n d P o s ei d o n (t o b e r e pl a c e d b y M et e or I V), a n d t h eir s e a g oi n g e q ui p m e nt, a s w ell a s a n al yti c al a n d e x p eri m e nt al f a ciliti e s at G E O M A R a n d A WI ( e. g., Ki el M ari n e Or g a ni s m C ult ur e C e ntr e ( KI M O C C) a n d Ki el O fi- S h or e M e s o c o s m s f or O c e a n Si m ul ati o n s ( K O S M O S)), l o n g-t er m ti m e s eri e s a n d t h e m o d ul ar bi o g e o c h e mi c al o c e a n o b s er v at ori e s F R A M at L T E R H a u s g art e n a n d C V O O / O S C M at C a p e V er d e b uil d t h e b a c k b o n e of t h e r e s e ar c h i n T 6. M a n n e d a n d u n m a n n e d s u b m er si bl e s (i. e., J A G O), a ut o n o m o u s o b s er v ati o n s s y st e m s ( e. g., fi o at s, gli d er s, drift er s, v ol u nt ar y o b s er vi n g s hi p s), t o w e d a n d st ati o n ar y c a m er a s y st e m s, b e nt hi c l a n d er a n d cr a wl er s y st e m s, a n d st at e- of-t h e- art s a m pli n g e q ui p m e nt ( e. g., p arti cl e tr a p s, T V- g ui d e d pl atf or m s, A U V s, l ar g e- v ol u m e p u m p s, n e u st o n c at a m ar a n) i n c o m bi n ati o n wit h a n al yti c al f a ciliti e s ( e. g., R a m a n a n d ( µ-) F o uri er- Tr a n sf or m i nfr ar e d s p e ctr o s c o p y, m o di fi e d mi cr o pl a sti c s e di m e nt s e p ar at or, Fl o w c a m er a) ar e i nt e gr al t o ol s of T 6 r e s e ar c h t h at will b e f urt h er d e v el o p e d i n M O S E S a n d A R C H E S (t o g et h er wit h S T 2. 4) a n d pr o p o s e d t o b e a u g m e nt e d b y n e w str at e gi c i n v e st m e nt s i n M U S E. Al o n g si d e wit h t hi s, a c c e s s t o k e y A WI a n d G E O M A R i nfr a str u ct ur e s u c h a s S ci e nti ff c C o m p uti n g, d at a r e p o sit ori e s ( P A N G A E A) a n d i nf or m ati o n s y st e m s ( Fi s h B a s e; S e a I c e P ort al, P A N A BI O / B E N D E R / W S M P A; i m a g e a n n ot ati o n BII G L E) will b e criti c al t o a c c o m pli s h t h e o v er all r e s e ar c h o bj e cti v e s of T 6. M o d ul ariz e d e x p eri m e nt al str u ct ur e s will b e e st a bli s h e d b y j oi ni n g f or c e s b et w e e n A WI a n d G E O M A R fi el d sit e s. E) Pr e vi o u s a c hi e v e m e nt s of t h e c o ntri b uti n g c e nt er s a n d i nfr a str u ct ur e s E x p erti s e a n d pr eli mi n ar y w or k. A WI a n d G E O M A R ar e i nt er n ati o n al l e a d er s i n t h e fi el d of m ari n e bi o g e o - c h e mi str y a n d i n t h e st u d y of e c ol o gi c al a n d e v ol uti o n ar y r e s p o n s e s of m ari n e lif e t o cli m at e c h a n g e i n r e gi o n s fr o m t h e tr o pi c t o t h e p ol e s a n d fr o m g e n e s t o e c o s y st e m s. Pr e vi o u s r e s e ar c h f o c u s e d o n a s s e s si n g t h e bi o- l o gi c al a n d bi o g e o c h e mi c al c o n s e q u e n c e s of o c e a n w ar mi n g, a ci di fi c ati o n a n d d e o x y g e n ati o n a n d pr e di cti n g t h e f ut ur e c o n s e q u e n c e s of cli m at e c h a n g e i n t er m s of p o p ul ati o n s hift s of k e y s p e ci e s a n d gr o u p s, w hi c h h a v e a c e ntr al p o siti o n i n t h e f o o d w e b. E xi sti n g e x p erti s e fr o m di fi er e nt bi ol o gi c al a n d bi o g e o c h e mi c al di s ci pli n e s c o v er s a wi d e r a n g e of s ci e nti fl c a p pr o a c h e s: i) ff el d w or k i n o p e n o c e a n, p ol ar a n d d e e p- s e a ar e a s, i n cl u di n g l o n g-t er m e c ol o gi c al ti m e s eri e s a p pr o a c h e s a n d i n sit u e x p eri m e nt ati o n, ii) i n v e sti g ati o n of or g a ni s m al p er- f or m a n c e u n d er pr e ci s el y c o ntr oll e d p h y si ol o gi c al c o n diti o n s, iii) st u d y of p o p ul ati o n a n d c o m m u nit y p erf or- m a n c e wit h m ol e c ul ar a n d g e n o mi c a p pr o a c h e s, i v) i n v e sti g ati o n of c o m bi n e d n utri e nt s, o x y g e n a n d c ar b o n d y n a mi c s i n t h e o c e a n, a n d m or e r e c e ntl y al s o pl a sti c litt eri n g v) n u m eri c al m o d eli n g fr o m or g a ni s m al t o o c e a n s c al e, a n d vi) r e m ot e s e n si n g of p h yt o pl a n kt o n di v er sit y. U ni q u e n e s s. F or t h e fir st ti m e, k e y bi ol o gi c al a n d bi o g e o c h e mi c al pr o c e s s e s will b e j oi ntl y st u di e d o v er t h e e ntir e o c e a n s y st e m fr o m t h e e q u at or t o t h e p ol e s b y j oi ni n g f or c e s b et w e e n G E O M A R a n d A WI / HI F M B r e - s e ar c h er s. T 6 will c o n d u ct w orl d- cl a s s r e s e ar c h b y i n v e sti g ati n g t h e di v er sit y, a d a pt ati o n a n d bi o g e o c h e mi c al f u n cti o ni n g of m ari n e e c o s y st e m s i n a c h a n gi n g o c e a n a ff e ct e d b y gl o b al w ar mi n g a n d ot h er a nt hr o p o g e ni c p ert ur b ati o n s. It will pr o vi d e a n d a s s e s s s u st ai n a bl e m a n a g e m e nt o pti o n s t h at ar e ur g e ntl y n e e d e d t o pr ot e ct t h e o c e a n s a n d will c o ntri b ut e si g ni fl c a ntl y t o U N S D G 1 4 a n d t h e U N D e c a d e of t h e O c e a n ( 2 0 2 1 – 2 0 3 0). Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 8 1

T o pi c 6: M ari n e a n d P ol ar Lif e: S u st ai ni n g Bi o di v er sit y, Bi oti c I nt er a cti o n s a n d Bi o g e o c h e mi c al F u n cti o n s T a bl e 6. 1: C o nt. K e y p art n er s J oi nt e fi ort s 4 . 6 c i p o t b u S I O W; M E L U N D S H; Fr a u n h of er I C T; E G E O S- G m b H; U ni v er siti e s of Ki el a n d Br e m e n; B G R; S e n c k e n b er g U F Z; I O W; U ni v er sit y of B a yr e ut h; I C B M Ol d e n b ur g; T h ü n e n I n stit ut e of Fi s h eri e s E c ol o g y Mi ni n g i m p a ct s, or d n a n c e di s p o s al A s s e s s m e nt a n d m o d eli n g of h oriz o nt al a n d v erti c al tr a n s p ort of pl a sti c d e bri s J PI O c o n s orti u m ‘ E n vir o n m e nt al I m p a ct s a n d Ri s k s of D e e p- S e a Mi ni n g’ ( v ari o u s E ur o p e a n p art n er s); I S A Mi ni n g i m p a ct s Or d n a n c e Di s p o s al N AT O; V LI Z ( B E); B o s k ali s ( N L); U S E P A ( U S A); G- T e c h ( B E) P art n er s fr o m S c a n di n a vi a, It al y, U S A, a n d R u s si a A s s e s s m e nt a n d m o d eli n g of h oriz o nt al a n d v erti c al tr a n s p ort of pl a sti c d e bri s N O A A; I Q O E U n d er w at er n oi s e P o siti o ni n g of t h e T o pi c i n i nt er n ati o n al r e s e ar c h. M a n y of t h e r e s e ar c h er s i n v ol v e d i n T 6 h a v e b e e n a n d ar e l e a di n g l ar g e- s c al e E ur o p e a n R e s e ar c h pr oj e ct s, i n cl u di n g E R C pr oj e ct s. T 6 dir e ctl y pr o vi d e s criti c al k n o wl e d g e t o I P C C a n d I P B E S a s s e s s m e nt s a n d t o g ui d e s u st ai n a bl e m a n a g e m e nt of m ari n e r e s o ur c e s u n d er U N S D G 1 4. It i s al s o o n e of t h e k e y c o ntri b uti o n s of G er m a n r e s e ar c h t o t h e U N D e c a d e of t h e O c e a n ( 2 0 2 1 – 2 0 3 0). Cr o s s- T o pi c a n d Cr o s s- Pr o gr a m- A cti viti e s. T 6 e n g a g e s i n t h e Cr o s s- T o pi c A cti viti e s ( C T A s) M O S E S, E S M a n d Di git al E art h, i n t h e C o o p er ati o n s a cr o s s R e s e ar c h Fi el d s ( C A R F s) HI- C A M a n d A R C H E S a n d t h e Alli a n c e D A M. T 6 c o ntri b ut e s si g ni fi c a nt p er s o n al, r e s o ur c e s a n d e x p erti s e t o t h e s e a cti viti e s a n d b e n e fit s b y a p pl yi n g t h e r o b oti c o c e a n o b s er vi n g s y st e m s d e v el o p e d i n M O S E S a n d A R C H E S, t h e d at a s ci e n c e a p pr o a c h e s pr o vi d e d b y Di git al E art h a n d t h e o c e a n m o d el s d e v el o p e d i n E S M. M or e o v er, T 6 s ci e nti st s ar e c urr e ntl y s etti n g u p t w o m aj or pr o gr a m s i n D A M a n d HI- C A M t h at will i n v e sti g at e t h e c ar b o n u pt a k e i n t h e o c e a n a n d it s r ol e i n cli m at e c h a n g e miti g ati o n. T 6 al s o p arti ci p at e s i n t h e H el m h oltz I n c u b at or ‘I nf or m ati o n a n d D at a S ci e n c e’, i n p arti c ul ar t o t h e M et a d at a C e nt er a n d R F E & E M et a d at a H u b ( s e e C h. 1), a n d t o t h e H el m h oltz S c h o ol f or M ari n e D at a S ci e n c e ( M ar D AT A). M ar D AT A will tr ai n P h. D. st u d e nt s i n m er g e d t h e m e s of d at a a n d c o m p ut ati o n al s ci e n c e s wit h m ari n e s ci e n c e s. T h e i n v ol v e d di s ci pli n e s i n cl u d e c o m p ut er s ci e n c e s, bi oi nf or m ati c s a n d m at h e m ati c s ( wit h m o d eli n g, s u p er c o m p uti n g, r o b oti c s, m a c hi n e-l e ar ni n g) a n d will b e e m b e d d e d i nt o o c e a n s ci e n c e s, r e s ulti n g i n a n o v el u n d er st a n di n g of ‘ m ari n e d at a s ci e n c e’. T 6 s ci e nti st s will c o- s u p er vi s e P h. D. r e s e ar c h er s w or ki n g o n T 6 t h e m e s r el at e d t o bi oi nf or m ati c s, i m a g e pr o c e s si n g, r o b oti c a p pli c ati o n s a n d d at a mi ni n g a n d will gr e atl y b e n e fft fr o m t h e d at a s ci e n c e e x p erti s e pr o vi d e d b y c o- s u p er vi s or s fr o m t h e U ni v er siti e s of Ki el a n d Br e m e n. T o g et h er wit h T 1, T 2, T 3, a n d T 5 w e ar e d e v el o pi n g a c o n c e pt f or a n e w C C A t h at will a d dr e s s e xtr e m e e v e nt s i n a c h a n gi n g w orl d fr o m a bi ol o gi c al p er s p e cti v e. E xtr e m e e v e nt s p o s e a p ot e nti al t hr e at t o s o ci eti e s, t h eir a s s et s a n d t h e e n vir o n m e nt. O wi n g t o t h e pr o p erti e s of e xtr e m e v al u e di stri b uti o n s, w e at h er a n d cli m at e e xtr e m e s ar e e x p e ct e d t o i n cr e a s e di s pr o p orti o n all y i n t h e f ut ur e, al o n g wit h f urt h er u p w ar d s hift s, e. g., i n m e a n t e m p er at ur e, o c e a n a ci di fi c ati o n, or o x y g e n d e fi ci e n c y I n t h e c o nt e xt of e n vir o n m e nt al c h a n g e s a n d m ari n e lif e it i s l ar g el y u n k n o w n h o w r e sili e nt s p e ci e s ar e, h o w c o m m u niti e s will r e a ct, h o w r e sili e nt t h e y ar e, a n d w h et h er t h e y will r e - c o v er. W e will e x pl or e h o w s p e ci e s a n d c o m m u niti e s r e s p o n d t o e. g., s e a s urf a c e t e m p er at ur e e xtr e m e s ( m ari n e h e at w a v e s) a n d r el at e d m a s s c or al bl e a c hi n g a n d m a cr o al g a e di e- o fi s. W e will al s o s u p p ort T 2 i n b uil di n g a n e w C C A o n t hr e s h ol d s of t h e E art h s y st e m wit h r e g ar d t o t h e d y n a mi c s of c ar b o n s o ur c e s a n d si n k s i n p a st, pr e s e nt a n d f ut ur e w ar mi n g st at e s, i n w hi c h t h e o c e a n’ s bi ol o gi c al c ar b o n p u m p pl a y s a n i m p ort a nt r ol e. Tr a n sf er a n d c o ntri b uti o n t o S y n C o m. K n o wl e d g e tr a n sf er a n d di s s e mi n ati o n o c c ur al o n g s e v er al c h a n n el s, s u c h a s i) a d vi si n g t h e I P C C e s p e ci all y i n t h e fr a m e w or k of t h e ‘ S p e ci al R e p ort o n t h e O c e a n a n d Cr y o s p h er e i n a C h a n gi n g Cli m at e’ ( S R O C C) a n d t h e I nt er g o v er n m e nt al S ci e n c e- P oli c y Pl atf or m o n Bi o di v er sit y a n d E c o s y st e m S er vi c e s (I P B E S) o n m ari n e bi o di v er sit y, t h e Gl o b al C ar b o n Pr oj e ct, a n d t h e I nt er n ati o n al S e a b e d A ut h orit y (I S A) o n s u st ai n a bl e u s e of d e e p- s e a r e s o ur c e s, ii) tr a n sf erri n g k n o wl e d g e t o p oli c y m a k er s a s w ell a s t o m e di c al a n d Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 8 3

T o pi c 7: T o w ar d s a S u st ai n a bl e Bi o e c o n o m y – R e s o ur c e s, Utiliz ati o n, E n gi n e eri n g a n d A gr o E c o s y st e m s S p o k e s p er s o n: Ulri c h S c h urr, F ZJ T h e mi s si o n of T o pi c 7 i s t o c o ntri b ut e t o a s u st ai n a bl e bi o e c o n o m y t h at pr o vi d e s f o o d a n d r e n e w a bl e r e s o ur c e s f or i n d u str y t o a gr o wi n g a n d d e m a n di n g h u m a n p o p ul ati o n w hil e r e - d u ci n g t h e e n vir o n m e nt al f o ot pri nt a n d s u p p orti n g a gr o wi n g cir c ul ar e c o n o m y. T 7 ai m s t o i m pr o v e a n d m a k e e fi ci e nt u s e of bi ol o gi c al a n d e n vir o n m e nt al r e s o ur c e s f or s u st ai n a bl e pr o d u cti o n, c o ntri b ut e s e n gi n e eri n g of r e n e w a bl e c ar b o n s o ur c e s a n d c h e mi c al s t o i n n o v ati v e pr o d u ct s, a n d i nt e - gr at e s pr o d u cti o n i nt o t h e s u st ai n a bl e u s e of a gr o- bi o g e o s y st e m s. A) S c o p e a n d c h all e n g e of t h e T o pi c R e s e ar c h s u bj e ct. Pr o d u ci n g f o o d a n d f e e d, m at eri al s, c h e mi c al s a n d e n er g y c arri er s r e q uir e t h e u s e of n at ur al r e s o ur c e s. H o w e v er, c urr e nt pr a cti c e s c o n s u m e r e s o ur c e s m u c h f a st er t h a n t h e y c a n b e r e pl e ni s h e d b y n at ur al c y cl e s. T h er ef or e, a c e ntr al c h all e n g e i n t h e m a n a g e m e nt of t h e E art h s y st e m i s t o d e v el o p a s u s - t ai n a bl e e c o n o m y, w hi c h f ul fill s h u m a n n e e d s, b ut d o e s n ot o v er e x pl oit t h e r e s o ur c e s. T hi s i s a m aj or t a s k wit h t h e w orl d p o p ul ati o n e x p e ct e d t o b e cl o s e t o t e n billi o n i n 2 0 5 0. T h e li n e ar a p pr o a c h of t o d a y ´ s e c o n o m y wit h m a s si v e o v er c o n s u m pti o n of n at ur al r e s o ur c e s a n d g o o d s b a s e d o n e x c e s si v e u s e of f o s sil r e s o ur c e s i s n ot s u st ai n a bl e. I n c o ntr a st, a s u st ai n a bl e e c o n o m y n e e d s t o pr o vi d e st e w ar d s hi p t o n at ur al r e s o ur c e s a n d m u st i nt e gr at e h u m a n c o n s u m pti o n i nt o t h e cir c ul ar e c o n o m y. T h e t ar g et i s a s u st ai n a bl e s u p pl y of a m pl e a n d h e alt h y f o o d a n d f e e d, s u fi ci e nt a n d i n n o v ati v e m at eri al s a n d c h e mi c al s a s w ell a s r e n e w a bl e e n er g y. At t h e s a m e ti m e, w e n e e d t o r e d u c e t h e n e g ati v e i m p a ct o n vit al f u n cti o n s of ( e c o-) s y st e m s a n d pr o vi d e st e w ar d s hi p t o pr e ci o u s r e s o ur c e s li k e at m o s p h er e, l a n d, w at er, n utri e nt s a s w ell a s t o m ari n e, c o a st al a n d ur b a n e n vir o n- m e nt s a n d bi o di v er sit y. Utilizi n g k n o wl e d g e a b o ut bi ol o gi c al s y st e m s will b e k e y t o d eli v er t o w ar d s i) i m pr o vi n g pr o d u cti o n f or f o o d a n d f e e d, c h e mi c al s, m at eri al s a n d e n er g y wit h r e s p e ct t o a m o u nt, q u alit y a n d f o ot pri nt, ii) i n cr e a si n g t h e e ff - ci e n c y of t h e u s e of n at ur al r e s o ur c e s, w hil e d e cr e a si n g o v er c o n s u m pti o n, a n d iii) m a ki n g t h e gl o b al e c o n o m y m or e s u st ai n a bl e b y a p pli c ati o n of bi ol o gi c al c o n c e pt s ( or pri n ci pl e s) i n e c o n o mi c a n d t e c h ni c al e n vir o n m e nt s. E x pl a n ati o n a n d j u sti fi c ati o n of r e s e ar c h. T h e U nit e d N ati o n s h a s e n c o d e d m aj or c h all e n g e s i nt o 1 7 S u s - t ai n a bl e D e v el o p m e nt G o al s ( S D G s), w hi c h pr o vi d e t h e b a si s of t h e r e s e ar c h i n T o pi c 7 ( T 7): s u st ai n a bl e f o o d / f e e d s y st e m s will b e a k e y d eli v er a bl e f or a gr o wi n g p o p ul ati o n wit h c h a n gi n g f o o d pr ef er e n c e s ( S D G 2: Z er o H u n g er, S D G 3: G o o d H e alt h). Si n c e a gri c ult ur e i s t h e m aj or c o n s u m er of fr e s h w at er gl o b all y, a w at er- e fi - ci e nt a gri c ult ur e wit h e n vir o n m e nt all y- s af e u s e of c h e mi c al s, f ertiliz er s a n d m a n ur e, will b e k e y t o pr ot e ct t h e q u alit y a n d q u a ntit y of w at er ( S D G 6) a n d of s oil f u n cti o n s ( S D G 1 5). N o v el t e c h n ol o gi e s a n d m or e e fi ci e nt, Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 8 5

T o pi c 7: T o w ar d s a S u st ai n a bl e Bi o e c o n o m y – R e s o ur c e s, Utiliz ati o n, E n gi n e eri n g a n d A gr o E c o s y st e m s F u n cti o n a n d c o ntri b uti o n of t h e T o pi c wit hi n t h e Pr o gr a m. S u st ai n a bl e pr o d u cti o n a n d u s e of bi ol o gi c al r e s o ur c e s m u st b e a n e s s e nti al el e m e nt of E art h S y st e m R e s e ar c h. T 7 d eli v er s a u ni q u e p er s p e cti v e t o d e v el o p s u st ai n a bl e s ol uti o n s wit h e c o n o mi c, s o ci al, a n d e c ol o gi c al di m e n si o n s i n c o n c ert wit h t h e ot h er T o pi c s of t h e Pr o gr a m. T h er ef or e, t h e i nt e gr ati o n of T 7 i nt o t h e Pr o gr a m pr o vi d e s t h e u ni q u e o p p ort u nit y t o ( pr o) a cti v el y a d dr e s s o pti o n s f or a n d c o n fii ct s i n t h e u s e of l a n d a n d bi ol o gi c al r e s o ur c e s. T 7 g e n er at e s k n o wl e d g e a b o ut bi ol o gi c al r e s o ur c e s a n d t h eir utiliz ati o n, c o n v er si o n a n d e n vir o n m e nt al i m p a ct t o i m pr o v e pr o vi si o n of bi o- b a s e d r e s o ur c e s a n d pr o d u ct s t o i n d u str y a n d s o ci et y, w hil e t ar g eti n g t h e n e c e s s ar y b al a n c e b et w e e n u s e a n d st e w ar d s hi p of bi ol o gi c al a n d bi o g e o c h e mi c al r e s o ur c e s. It i s a m aj or st e p a n d a c hi e v e m e nt t o i nt e gr at e bi o - e c o n o m y a n d cir c ul ar e c o n o m y r e s e ar c h i nt o t h e R F E & E i n P o F I V. H o w e v er, t hi s al s o pr o vi d e s c h all e n g e s f or T 7 a s w ell a s t h e Pr o gr a m a s a w h ol e: pr a cti c al i nt e gr ati o n of r e s e ar c h i n t hi s T o pi c i s pr e s e ntl y l e s s i nt e n si v e t h a n b et w e e n ot h er T o pi c s. T hi s i s d u e t o t h e f a ct t h at t h e s e i niti ati v e s w er e l a u n c h e d wit hi n t h e R F E & E d uri n g P o F III, w h e n m o st of t h e p arti ci p a nt s of T 7 w er e i n cl u d e d i n R F K e y T e c h n ol o gi e s a n d R F E n er g y. I n or d er t o v al oriz e t h e u ni q u e o p p ort u nit y of e m b e d di n g pr o d u cti o n s y st e m s i nt o E art h S y st e m R e s e ar c h, i nt er a cti o n s h a v e alr e a d y b e e n d e e p e n e d d uri n g t h e Pr o gr a m d e v el o p m e nt a n d will b e f urt h er i nt e n si fi e d. R e s e ar c h i n T 7 will i nt e gr at e wit h n o n- bi o- b a s e d r e n e w a bl e s ol uti o n s ( e. g., r e n e w a bl e e n er g y, C A R F wit h R F E n er g y), wit h i m pr o v e m e nt s i n t h e h e alt h s y st e m ( e. g., di s e a s e pr e v e nti o n b y h e alt h y f o o d a n d f e e d, T 9 a n d C A R F wit h R F H e alt h) a s w ell a s wit h e c ol o gi c al r e s e ar c h a n d s o ci al a n d e c o n o mi c i n n o v ati o n ( e. g., wit h T 5, T 9). C oll a b or ati o n wit h T 1 will f o c u s o n l o w eri n g t h e i m p a ct of a gri c ult ur al pr o d u cti o n t o G H G e mi s si o n s a s w ell a s i n d et er mi ni n g s c e n ari o s of f ut ur e w e at h er c o n diti o n s a n d t h eir i m p a ct o n cr o p pr o d u cti o n. Bi o e c o n o m y will al s o a d dr e s s a s p e ct s i n ur b a n s p a c e s ( C A R F R e sili e nt Ur b a n S p a c e s). Pr o d u cti o n s y st e m s ar e al s o t h e li n k t o T 4, w h er e – e s p e ci all y i n d elt a s of l ar g e ri v er s – a gri c ult ur al pr o d u cti o n c o ntri b ut e s si g ni fi c a ntl y t o t h e dri v er s of d e v el o p m e nt s i n c o a st al r e gi o n s. I n a d diti o n, li n k s wit h c o a st al ( T 4) a n d m ari n e s y st e m s ( T 6) e xi st, w h er e v er pr o d u cti o n t a k e s pl a c e i n a q u ati c e n vir o n m e nt s. Hi g hli g ht s. A p arti c ul ar str e n gt h of T 7 i s it s e x p erti s e i n t h e q u a nti ff c ati o n of bi o e c o n o m y s y st e m s. T hi s pr o vi d e s t h e b a si s t o pr e di ct a n d o pti miz e t h e p erf or m a n c e i n all t hr e e d o m ai n s of t h e T o pi c. R e s e ar c h i n T 7 utiliz e s all di m e n si o n s of di git al bi o e c o n o m y: e x p eri m e nt ati o n, a ut o m ati o n, di git aliz ati o n, d at a s ci e n c e a n d m o d eli n g i n all S u bt o pi c s. R e s e ar c h er s of T 7 ar e at t h e f or efr o nt of d e v el o pi n g n o n-i n v a si v e t e c h n ol o gi e s, i m a g e a n al y si s a n d a ut o m ati o n i n cl u di n g p h e n ot y pi n g a n d bi oi nf or m ati c s of pl a nt a n d mi cr o b e s, pr e di cti o n m o d el s f or str u ct ur e a n d f u n cti o n i n pl a nt s, mi cr o b e s, bi or e a ct or s, a n d bi or e fi n eri e s a s w ell a s i n a gr o e c o s y s - t e m s. W e will i nt e gr at e m o st a d v a n c e d t e c h n ol o gi e s i n di gitiz ati o n a n d I T i nt o bi o e c o n o m y r e s e ar c h b a s e d o n i nti m at e i nt e gr ati o n wit h t h e R F I nf or m ati o n, t h e H el m h oltz Di git aliz ati o n Str at e g y, a s w ell a s t h e E x c ell e n c e Cl u st er s P h e n o R o b 2 0 9 a n d C E P L A S2 1 0 . 2 0 9 P h e n o R o b i s a n E x c ell e n c e Cl u st er o n A gri R o b oti c s j oi ntl y r u n b y U ni v er sit y of B o n n a n d F or s c h u n g sz e ntr u m J üli c h. 2 1 0 C E P L A S i s a n E x c ell e n c e Cl u st er o n i m pr o v e m e nt of pl a nt s a n d pl a nt- mi cr o b e i nt er a cti o n j oi ntl y r u n b y U ni v er sit y of D ü s s el d orf, U ni v er sit y of C ol o g n e, M PI Pl a nt Br e e di n g a n d F or s c h u n g sz e ntr u m J üli c h. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 8 7

T o pi c 7: T o w ar d s a S u st ai n a bl e Bi o e c o n o m y – R e s o ur c e s, Utiliz ati o n, E n gi n e eri n g a n d A gr o E c o s y st e m s T O PI C 7 T o w a r d s a S u st ai n a bl e Bi o e c o n o m y – R e s o u r c e s, Utili z ati o n, E n gi n e e ri n g a n d A g r o E c o s y st e m s I N T E G R A T E D A P P R O A C H E S T O S U B T O PI C 7. 1 Bi ol o gi c al a n d e n vi r o n - m e nt al r e s o u r c e s f o r s u st ai n a bl e u s e  e c  o n o m y    i nt e g r at e bi o e c o n o m y i nt o E a rt h S y ste m R e s e a r c h i nt e g r at e bi o e c o n o m y i n a h y b ri d ci rc ul a r d e v el o p n e st e d o pti o n s f o r s u st ai n a bl e f o o d/ f e e d a n d n o n -f o o d p r o d u cti o n d e v el o p i n n o v ati v e p r o d u ct s a n d s e r vi c e s u si n g bi o( g e o) s y st e m s a n d bi o di v e r sit y e st a bli s h t o ol s f o r a di git al bi o e c o n o m y S U B T O PI C 7. 2 Utili z ati o n of r e n e w a bl e c a r b o n a n d e n e r g y s o u r c e s a n d e n gi n e e ri n g of e c o s y st e m f u n cti o n S U B T O PI C 7. 3 A g r o - bi o g e o s y st e m s: e n vi r o n m e nt al c o nt r ol s, f e e d b a c k s a n d i m p a ct I m p o rt a nt T o pi c li n k s: T O PI C 1: W e at h e r e xt r e m e s T O PI C 4: Bl u e Bi o e c o n o m y T O PI C 5: Bi o m a s s s c e n a ri o s, lif e - c y cl e a s s e s s m e nt, bi o di v e r sit y, a g r o e c o s y st e m s T O PI C 9: P oll ut a nt s a n d c h e mi c al s, ci r c ul a r e c o n o m y, t r a n sf o r m ati o n C r o s s - C utti n g A cti viti e s: HI - C A M: Cli m at e i m p a ct o n a g r o e c o s y st e m s R E K LI M: R e gi o n al cli m at e a n d c r o p p r o d u cti o n T E R E N O: A n al y si s a n d m o d eli n g of h y d r o g e ol o gi c al a n d bi o c h e mi c al d y n a mi c s R e m ot e S e n si n g: L a n d u s e a n d c r o p p e rf o r m a n c e Bi o E c o m e et s E n e r g y: Bi o m a s s c o n v e r si o n a n d ci r c ul a r e c o n o m y R e sili e nt U r b a n S p a c e s: Bi o E c o i n citi e s, w at e r -f o o d - e n e r g y n e x u s M A C E S: Pl a nt r e s e a r c h f o r h u m a n h e alt h E xt r e m e s: I m p a ct o n c r o p p r o d u cti o n E S M, Di git al E a rt h: A g r o e c o s y st e m s St r at e gi c e xt e r n al p a rt n e r s: I nt e g r at e d Bi o e c o n o m y: Bi o S C, MI K A T, G e o V e r b u n d A B C/ J E x c ell e n c e Cl u st e r s: C E P L A S, P h e n o R o b, F u el S ci e n c e C e nt e r E S F RI: E M P H A SI S, L T E R Fi g. 7. 1: Gr a p hi c al s c h e m e of T o pi c 7. D) S u bt o pi c s S u bt o pi c 7. 1 Bi ol o gi c al a n d e n vir o n m e nt al r e s o ur c e s f or s u st ai n a bl e u s e Ulri c h S c h urr, F ZJ; Mi c h a el B ott, F ZJ S c o p e a n d c h all e n g e s. Pl a nt s, mi cr o b e s, e nz y m e s, a q u a c ult ur e or g a ni s m s a n d t h eir e c o s y st e m s r e pr e s e nt m aj or t ar g et s f or pr o d u cti o n s y st e m s a n d f or m ai nt ai ni n g bi ol o gi c al r e s o ur c e s. S T 7. 1 will e x p a n d a n d i m pr o v e t h e f u n d a m e nt al k n o wl e d g e o n t h e s e r e s o ur c e s a s b a si s f or bi o e c o n o m y v al u e c h ai n s / n et w or k s a n d o n e c o- s y st e m f u n cti o n s, i n cl u di n g t h e c a p a biliti e s of mi cr o bi al s y st e m s t o br e a k d o w n or g a ni c c h e mi c al s u n d er fi el d c o n diti o n s. It will c o ntri b ut e n o v el t e c h n ol o gi e s a n d m et h o d s t o i m pr o v e pl a nt br e e di n g, mi cr o bi al str ai n d e v el o p m e nt a n d a q u a c ult ur e s y st e m s. Hi g hli g ht s ar e t h e u ni q u e c o m p et e n c e i n S T 7. 1 t o g ai n q u a ntit ati v e i nf or m ati o n o n d y n a mi c p erf or m a n c e of or g a ni s m s u n d er pr o d u cti o n c o n diti o n s. W e d e v el o p a n d u s e a u ni q u e p ortf oli o of ‘ o mi c s’ t e c h n ol o gi e s, ( bi o)i nf or m ati c s, bi o e n gi n e eri n g, n o n-i n v a si v e p h e n ot y pi n g t e c h n ol o gi e s, a n d q u a ntit ati v e r e m ot e s e n si n g f o c u si n g o n di git al bi o e c o n o m y a p pr o a c h e s. M ai n o bj e cti v e s. • • D e v el o p d e e p u n d er st a n di n g of cr o p f u n cti o ni n g u n d er d y n a mi c c o n diti o n s of gl o b al c h a n g e a n d f or d e v el - o p m e nt of r e s o ur c e- e fi ci e nt pr o d u cti o n s y st e m s. E st a bli s h bi ol o gi c al f u n d a m e nt al s a n d t o ol s f or t h e d e si g n a n d utiliz ati o n of mi cr o bi al r e s o ur c e s f or i n d u s - tri al bi ot e c h n ol o g y a n d e n vir o n m e nt al t e c h n ol o g y. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 8 9

T o pi c 7: T o w ar d s a S u st ai n a bl e Bi o e c o n o m y – R e s o ur c e s, Utiliz ati o n, E n gi n e eri n g a n d A gr o E c o s y st e m s R o ot s y st e m s ar e e s s e nti al t o a c q uir e b el o w gr o u n d r e s o ur c e s. W e will i m pr o v e t h eir ar c hit e ct ur e a n d f u n cti o n i n cl u di n g cr o p- cr o p a n d cr o p- mi cr o bi o m e i nt er a cti o n s f or i m pr o v e d w at er, n utri e nt a n d e n er g y e fi ci e n c y. W e ar e u ni q u el y p o siti o n e d t o di s c o v er h o w r o ot s y st e m s f u n cti o n i n a s s o ci ati o n wit h t h e s oil u si n g m o d er n t o m o gr a p hi c m et h o d s. W e will b uil d o n o ur r e s e ar c h pi p eli n e, i nt e gr ati n g ar c hit e ct ur al /f u n cti o n al a n al y si s of r o ot s a n d s h o ot s, pl a nt a n al y si s of g e n eti c d et er mi n a nt s a n d e n vir o n m e nt al pl a sti cit y, a n al y si s of r o ot p erf or m a n c e i n v ari o u s fi el d s c e n ari o s, a n d i m pl e m e nt ati o n of p h y si ol o gi c al k n o wl e d g e i nt o ( pr e) br e e di n g d e si g n s. E x p eri m e nt al r e s ult s will b e i n cl u d e d i n f u n cti o n al str u ct ur al pl a nt m o d el s a n d a gr o- e c o s y st e m m o d el s wit h S T 7. 3. W e will c o nti n u e t o e x pl or e t h e di v er sit y of s e e d b a n k m at eri al t o i d e ntif y o pti o n s f or i m pr o v e d cr o p p erf or m a n c e i n c oll a b or ati o n wit h p art n er s fr o m m aj or n ati o n al a n d i nt er n ati o n al s e e d b a n k s ( e. g., Gl o b al Cr o p Di v er sit y Tr u st, G at e s F o u n d ati o n a n d C GI A R). T hi s will b e b a s e d o n d et ail e d a n d hi g h-t hr o u g h p ut s e e d p h e n ot y pi n g t e c h n ol o gi e s b a s e d o n r o b oti c s, a ut o m ati o n a n d m a c hi n e l e ar ni n g. Alt er n ati v e bi o m a s s r e s o ur c e s, bi o m a s s q u alit y a n d pl a nt- b a s e d pr o d u ct s will b e d e v el o p e d f or i m pr o v e d f o o d /f e e d q u alit y a s w ell a s f or utiliz ati o n i n bi or e fi n eri e s. Pl a nt s pr o vi d e li g n o c ell ul o s e a s a ‘ b ul k’ pr o d u ct, a n d, i n a d diti o n, pr o d u c e v al u a bl e s e c o n d ar y m et a b olit e s. T h e l att er pr o vi d e h e alt h b e st o wi n g e fi e ct s a n d t a st e, a n d c a n b e u s e d a s c ol or a nt s or o d or a nt s et c. T h u s, w e will st u d y c ell w all a n d s e c o n d ar y m et a b olit e c o m p o siti o n, bi o s y nt h e si s, a n d i m p a ct of e n vir o n m e nt al c o n diti o n s a s w ell a s a b a si s f or t h e u s e i n mi cr o bi al bi ot e c h n ol o g y ( S T 7. 2). W e d e v el o p al g a e pr o d u cti o n s y st e m s a s a s o ur c e of bi o m a s s f or bi or e fi n eri e s, t o r e d u c e n utri e nt l e a c hi n g a n d a s a n o v el f ertiliz er r e s o ur c e. I n a d diti o n, p er e n ni al pl a nt s o fi er n e w o p p ort u niti e s f or cr o p pr o d u cti o n e s p e ci all y o n m ar gi n al l a n d s, w h er e t h e y al s o h a v e e c ol o gi c al b e n e fit ( bi o di v er sit y) a n d ar e u s e d f or cl o si n g t h e n utri e nt c y cl e wit h bi or e fi n eri e s. Wit h r e s p e ct t o t e c h n ol o gi e s, p h e n ot y pi n g i s a m aj or b ottl e n e c k f or pr o gr e s s i n pl a nt s ci e n c e s a n d br e e di n g. H e n c e, w e will c o nti n u e t o e xt e n d, a p pl y a n d pr o vi d e a c c e s s t o o ur u ni q u e p ortf oli o of p h e n ot y pi n g i nfr a str u ct ur e i n c o ntr oll e d a n d fi el d c o n diti o n s. W e will i nt e gr at e t h e n o v el t e c h n ol o gi e s wit h o nt ol o gi e s a n d d at a m a n a g e m e nt s y st e m s fr o m ( bi o)i nf or m ati c s. A n at o mi c al a n d m or p h ol o gi c al pl a nt tr ait s a s w ell a s w at er fl u x ( N M R), c ar b o n tr a n s p ort, a n d all o c ati o n of p h ot o a s si mil at e s ( P E T) will b e st u di e d i n vi v o. W e al s o will r e aliz e d e vi c e s a n d s cr e e ni n g c o n c e pt s ( e. g., c ell p h o n e- b a s e d) t h at all o w br o a d a c c e s s t o m o d er n p h e n ot y pi n g c o n c e pt s. M ar gi n al Fi el d L a b s will b e e st a bli s h e d a s a u ni q u e fl el d i nfr a str u ct ur e wit hi n t h e Bi o e c o n o m y R E VI E R R hi n el a n d: w e will utiliz e o pti o n s d u e t o t h e e n d of li g nit e mi ni n g t o e st a bli s h a l ar g e- s c al e e x p eri m e nt al f a cilit y t o t e st cr o p s, bi ol o gi c al s a n d s oil i m pr o v e m e nt pr o d u ct s i n di v er s e m ar gi n alit y of s oil s a n d i n cl u d e t hi s f a cilit y i nt o t h e E ur o p e a n r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e E M P H A SI S ( E S F RI). W e will pr o m ot e t h e wi d e a d o pti o n of b e st pr a cti c e s a n d st a n d ar d pr o c e d ur e s f or pl a nt p h e n ot y pi n g wit h br e e d er s a n d d e v el o p e v e n str o n g er li n k s t o di git al a gri c ult ur e a n d a gr o-r o b oti c s ( P h e n o R o b). Bi oi nf or m ati c s a n d bi g d at a a p pli c ati o n i n pl a nt a n d a gri c ult ur al s ci e n c e s will c o m bi n e ‘ o mi c s’ d at a b a s e s, k n o wl e d g e e xtr a cti o n a n d m a n a g e m e nt, wit h A R / V R vi s u aliz ati o n s u p p ort s y st e m s. W e b uil d a n d e xt e n d o ur bi oi nf or m ati c s pl atf or m s b y pr o vi di n g d at a b a s e s a n d t o ol s f or v al oriz ati o n of ‘ o mi c s’ t e c h n ol o gi e s. A s p e ci al f o c u s will b e o n n et w or k r e c o n str u cti o n a n d d e e p l e ar ni n g a p pr o a c h e s i nt e gr ati n g k n o wl e d g e o n al g orit h m s a n d a n al y si s of bi o c h e mi c al p at h w a y s li n k e d t o e n vir o n m e nt al c u e s, q u alit y a n d yi el d of bi o m a s s. T h e f o c u s i s o n m et a b ol o mi c s a n d tr a n s cri pt o mi c d at a s et s, b ut a s pr ot e o mi c s m at ur e s, m or e a n d m or e d at a i s i nt e gr at e d. W e utiliz e st at e- of-t h e- art s e q u e n ci n g t e c h n ol o gi e s ( e. g., n a n o p or e s e q u e n ci n g) t o a n al yz e t h e g e n eti c b a c k gr o u n d of k e y tr ait s i n cr o p s a n d wil d r el ati v e s t o i d e ntif y m e c h a ni s m s e st a bli s h e d d uri n g d o m e sti c ati o n a s w ell a s f ut ur e o pti o n s t o i m pr o v e cr o p s. I n a d diti o n, w e i nt e gr at e p h e n ot y pi c d at a wit h g e n eti c s a n d ‘ o mi c s’ a n d d at a fr o m r e m ot e s e n si n g d e vi c e s a n al yzi n g a gr o n o mi c p erf or m a n c e. A n al y si s of str u ct ur e s a n d f u n cti o n s of pl a nt s a n d m ari n e or g a ni s m s will al s o b e u s e d t o d e v el o p n o v el bi o-i n - s pir e d a p pr o a c h e s f or t h e d e v el o p m e nt of str u ct ur all y- o pti miz e d t e c h ni c al str u ct ur e s. W e will a n al yz e n at ur al str u ct ur e s a n d f u n cti o n s a n d a p pl y bi o p h y si c al pri n ci pl e s a n d g e n er ati v e d e si g n s oft w ar e f or i) r e s o ur c e- e ffi - ci e nt m ultif u n cti o n al li g ht- w ei g ht str u ct ur e s o pti miz e d f or r o b u st n e s s, p er m e a bilit y a n d vi br ati o n pr o p erti e s, ii) n a n o c o m p o sit e s i n c o m pl e x li g ht w ei g ht g e o m etri e s a n d m at eri al s u b stit uti o n ( e. g., bi o d e gr a d a bl e pl a sti c s), a n d iii) t h e d e v el o p m e nt of m or p h o g e n eti c al g orit h m s f or s u st ai n a bl e pr o d u ct d e v el o p m e nt. Bi ol o gi c al f u n d a m e nt al s a n d t o ol s f or a p pli c ati o n of mi cr o bi al r e s o ur c e s i n i n d u stri al bi ot e c h n ol o g y. C h all e n g e: Mi cr o b e s or mi cr o bi al c o m m u niti e s i n t e c h ni c al e n vir o n m e nt s pr o vi d e a h u g e p ot e nti al t o e st a bli s h n o v el pr o d u cti o n pr o c e s s e s i n t h e f o o d /f e e d, m at eri al s, e n er g y, c h e mi c al s, a n d p h ar m a c e uti c al i n d u str y. Bi o - Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 9 1

T o pi c 7: T o w ar d s a S u st ai n a bl e Bi o e c o n o m y – R e s o ur c e s, Utiliz ati o n, E n gi n e eri n g a n d A gr o E c o s y st e m s a n d bi oi nf or m ati c s t o ol s will b e i m pl e m e nt e d t o h a n dl e, e v al u at e, a n d vi s u aliz e t h e s e d at a. A d diti o n all y, n o v el bi oi nf or m ati c s, m o d el- b a s e d a n d d at a s ci e n c e t o ol s f or o pti m al e x p eri m e nt al d e si g n, r a w d at a pr o c e s si n g a n d i nt e gr at e d e v al u ati o n of t h e di ff er e nt ‘ o mi c s’ d at a will b e r e q uir e d. Mi ni at uriz e d a n d a ut o m at e d c ulti v ati o n s y st e m s c o u pl e d t o a v ari et y of a n al yti c al d e vi c e s a n d i nt elli g e nt e x p eri m e nt al c o ntr ol al g orit h m s will b e d e v el o p e d t o e n a bl e hi g h-t hr o u g h p ut mi cr o bi al p h e n ot y pi n g. R e a di n g o ut bi ol o gi c all y r el e v a nt i nf or m ati o n a n d g ai ni n g c o ntr ol o v er m et a b oli c pr o c e s s e s o n t h e si n gl e c ell l e v el i s i m p ort a nt f or i m pl e m e nti n g n o v el hi g h-t hr o u g h p ut s cr e e ni n g t o ol s a n d f or a n al yzi n g mi cr o bi al p o p ul ati o n h et er o g e n eit y. W e will d e si g n g e n eti c all y e n c o d e d bi o s e n s or s all o wi n g vi s u aliz ati o n i n si n gl e c ell s of a v ari et y of p ar a m et er s s u c h a s m et a b olit e l e v el s or str e s s r e s p o n s e s. Bi o s e n s or s b a s e d o n tr a n s cri pti o n al r e g ul at or s ( a b o v e) e n a bl e hi g h-t hr o u g h p ut s cr e e ni n g of c ell li br ari e s b y fl u or e s c e n c e- a cti v at e d c ell s orti n g ( F A C S). T hi s all o w s i d e ntif yi n g n o v el t ar g et s f or str ai n a n d e nz y m e e n gi n e eri n g t h at c a n n ot b e pr e di ct e d r ati o n all y. F R E T- b a s e d bi o s e n s or s will b e i m pl e m e nt e d f or r e al-ti m e m o nit ori n g i n mi cr otit er pl at e- b a s e d c ulti v ati o n d e vi c e s of c ell ul ar p ar a m et er s s u c h a s s u g ar c o n s u m pti o n. O pt o g e n eti c t o ol s b a s e d o n g e n eti c all y e n c o d e d li g ht s e n s or s or p h ot o c a g e d i n d u c er s will b e d e v el o p e d i n or d er t o t e m p or all y a n d s p ati all y c o ntr ol g e n e e x pr e s si o n. H et er o g e n eit y a n d i nt er a cti o n of mi cr o bi al c ell s i n a pr o d u cti o n bi or e a ct or i s still o n e of t h e w hit e s p ot s i n i n d u stri al bi ot e c h n ol o g y. C u st o m- m a d e mi cr o fi ui di c c ulti v ati o n d e vi c e s ( c o o p er ati o n wit h R F I nf or m ati o n) li n k e d t o li v e c ell mi cr o s c o p y will b e d e v el o p e d. T h e y e n a bl e t h e st u d y of bi ol o gi c al p h e n o m e n a at t h e si n gl e c ell l e v el u n d er hi g hl y d e fi n e d e n vir o n m e nt al c o n diti o n s. C o m bi ni n g t hi s t e c h n ol o g y wit h g e n eti c all y e n c o d e d bi o s e n s or s gi vi n g a fi u or e s c e nt r e a d o ut all o w s al m o st r e al-ti m e o b s er v ati o n pr o c e s s e s s u c h a s t h e e m er g e n c e of p o p ul ati o n h et er o g e n eit y. A m aj or c h all e n g e i n t h e a p pli c ati o n of mi cr o fi ui di c c ulti v ati o n s y st e m s c o u pl e d t o li v e c ell mi cr o s c o p y i s a ut o m at e d hi g h- s p e e d i m a g e pr o c e s si n g a n d e v al u ati o n, f or w hi c h st at e- of-t h e- art d at a s ci e n c e t o ol s h a v e t o b e i m pl e m e nt e d. C o m pl e m e nt ar y t o i m a gi n g, mi cr o fi ui di c s- c o u pl e d m a s s s p e ctr o m etr y ( M S) will b e d e v el o p e d a s a l a b el-fr e e a n al y si s t o ol f or d et er mi ni n g u pt a k e a n d pr o d u cti o n r at e s, a s w ell a s yi el d c o e fi ci e nt s at t h e si n gl e c ell l e v el or wit h mi cr o c ol o ni e s. T hi s t e c h n ol o g y will all o w u s t o li n k e n vir o n m e nt al c o n diti o n s, h et er o g e n eit y, a n d pr o d u cti vit y a n d t o u nr a v el n o v el t ar g et s f or str ai n a n d pr o c e s s e n gi n e eri n g. Mi cr o bi al f u n cti o n s i n n at ur al e c o s y st e m s f or s u st ai n a bl e u s e of c h e mi c al s. C h all e n g e: C urr e nt u s e of a nt hr o p o g e ni c or g a ni c c h e mi c al s i s n ot s u st ai n a bl e, m e a ni n g t h at t h eir i m b al a n c e d e mi s si o n a n d e n vir o n m e nt al d e gr a d ati o n l e a d s t o a p p ar e nt p er si st e n c e a n d r e s ulti n g e fi e ct s o n r e s p e cti v e e c o s y st e m s. T h e a p p ar e nt p er si st e n c e r e q uir e s b ot h ti er e d m a n a g e m e nt str at e gi e s t o r e d u c e t h e e n vir o n m e n - t al b ur d e n a n d a dj u st e d r e s e ar c h e fi ort s t o d eri v e k n o wl e d g e- dri v e n m a n a g e m e nt o pti o n s t o r e d u c e e n vir o n- m e nt al a n d h u m a n e x p o s ur e ( T 9). A p pr o a c h: T h e f o c u s i s o n u n d er st a n di n g a n d pr e di cti n g c h e mi c al s’ f at e a n d p er si st e n c e fr o m a ( mi cr o bi al) e c o s y st e m p er s p e cti v e. W e will d e v el o p t o ol s t o u n d er st a n d a n d pr e di ct d e gr a d ati o n of c h e mi c al s fr o m t h e n a n o m et er u p t o l ar g e ( m et er t o l a n d s c a p e) s c al e b y i nt e gr ati n g c h e mi c al a n d e n vir o n m e nt al pr o p erti e s. T hi s will pr o vi d e i n p ut t o pr e di cti v e m o d eli n g a n d ri s k a s s e s s m e nt of c h e mi c al s, s u p p ort c h e mi c al r e g ul ati o n a n d s u st ai n a bl e u s e, a n d i m pr o v e tr e at m e nt m a n a g e m e nt o pti o n s f or u n w a nt e d c h e mi c al s a n d w a st e ( e. g., pl a sti c). M e c h a ni sti c u n d er st a n di n g of t h e e fi e cti v e n e s s, d y n a mi c s, a n d f u n cti o n al st a bilit y of n at ur al ( a n d e n gi n e er e d) mi cr o bi al e c o s y st e m s t o d e gr a d e c h e mi c al s i s of i m p ort a n c e a n d n e e d s t o b e d eri v e d fr o m e c ol o gi c al pri n ci - pl e s at di v er s e s p ati al s c al e s. I n- d e pt h k n o wl e d g e a b o ut t h e mi cr o s c al e pr o c e s s e s will s u p p ort t h e c h ar a ct eri - z ati o n a n d pr e di cti o n of t h e e fl e cti v e n e s s, st a bilit y a n d f u n cti o n al c a p a cit y of ( n at ur al a n d e n gi n e er e d) e c o s y s - t e m s t o c o n v ert / d e gr a d e c h e mi c al s a n d w a st e m at eri al s at m a cr o s p ati al s c al e s u p t o t h e l a n d s c a p e l e v el ( T 5). U n d er st a n di n g of h ot s p ot s a n d dri v er s of mi cr o bi al a cti vit y ( e. g., t h e r hiz o- a n d m y c o s p h er e) will b e p ar a m o u nt f or t h e t ur n o v er of c h e mi c al s i n t h e e n vir o n m e nt a n d t h eir tr a n sf or m ati o n pr o d u ct s. E x p eri m e nt al a n d m o d el- i n g st u di e s will t a c kl e t h e f u n cti o n al st a bilit y of t h e r e q uir e d c o m pl e x mi cr o bi al e c o s y st e m s. W e will i n v e sti g at e f a ct or s c o ntr olli n g t h e a cti vit y of mi cr o b e s, t h e c a u s e s a n d c o n s e q u e n c e s of str u ct ur al a n d f u n cti o n al bi o di v er- sit y. I n a d diti o n, t h e v ari o u s s p ati al a n d t e m p or al h et er o g e n eiti e s of n at ur al s oil e c o s y st e m s a cr o s s di fl er e nt s c al e s will b e st u di e d. F or di s e nt a n gli n g t h e c o m pl e x i nt er a cti o n s of bi oti c a n d a bi oti c pr o c e s s e s, t h e e m piri c al d at a fr o m s y nt h eti c a n d n at ur al mi cr o bi al e c o s y st e m s a n d si m ul ati o n d at a fr o m virt u al mi cr o bi al e c o s y st e m s will b e c o m bi n e d a n d t h u s t h e c o n c e pt s fr o m e c ol o gi c al t h e or y will b e a d o pt e d. I n a d diti o n, w e will li n k g e n e s t o f u n cti o n s c o m bi ni n g m ulti- o mi c s t o ol s a n d bi oi nf or m ati c s t o s c al e mi cr o bi al i nt er a cti o n m o d el s t o w ar d s t h e Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 9 3

T o pi c 7: T o w ar d s a S u st ai n a bl e Bi o e c o n o m y – R e s o ur c e s, Utiliz ati o n, E n gi n e eri n g a n d A gr o E c o s y st e m s i n g a n d pr e di cti n g t h e c a p a cit y of e c o s y st e m s t o d e gr a d e c h e mi c al s. M 7. 4- 2 ( 2 0 2 7): C o m p ar ati v e bi o- tr a n sf or m ati o n a n al y s e s c o n d u ct e d i n e c o s y st e m s. • D 7. 5 ( 2 0 2 7): Pr o of a n d di s s e mi n at e z er o- w a st e a q u a c ult ur e pr o d u cti o n s y st e m( s) t o gr o w t h e bi o e c o n o- m y. M 7. 5- 1 ( 2 0 2 5): C o m pl et e d t e sti n g of s u st ai n a bl e f e e d s a n d pr o d u cti o n s y st e m t hr o u g h f ull pr o d u cti o n c y cl e wit h c o m m er ci al p art n er s. M 7. 5- 2 ( 2 0 2 7): N o v el ( s p e ci al) pr o d u ct fr o m z er o w a st e mi cr o al g a e pr o - d u cti o n r e gi st er e d / p at e nt e d. M 7. 5- 3 ( 2 0 2 7): Z er o- w a st e a q u a c ult ur e m o d el d e m o n str at e d f or hi g h- v al u e f o o d s p e ci e s i n G er m a n y. I nfr a str u ct ur e s a n d s p e ci fi c r e s o ur c e s. T h e J üli c h Pl a nt P h e n ot y pi n g C e nt er (J P P C) pr o vi d e s t h e n u cl e u s of G er m a n, E ur o p e a n a n d I nt er n ati o n al Pl a nt P h e n ot y pi n g N et w or k s ( D P P N, E P P N, I P P N, E M P H A SI S- E S F RI; c o or di n at e d b y F ZJ). T h e pl a n n e d M ar gi n al Fi el d L a b s ( M F L) will b e a u ni q u e sit e f or t e sti n g pl a nt s a n d m a n - a g e m e nt pr a cti c e s at l o w n utri e nt c o n diti o n s a n d c o m pl e m e nt s o ur fi el d- p h e n ot y pi n g at C a m p u s Kl ei n alt e n - d orf ( wit h U B o n n). T h e G er m a n Pl a nt Pri m ar y D at a b a s e ( P P D) i s p art of t h e G er m a n N ati o n al Bi oi nf or m ati c s I nfr a str u ct ur e ( d e. N BI) a n d E LI X R- E S F RI. T h e J üli c h Mi cr o bi al P h e n ot y pi n g C e nt er (J M P C) c o m bi n e s a u ni q u e p ortf oli o of t e c h n ol o gi e s f or c ulti v ati o n of mi cr o or g a ni s m s, g e n eti c a n d bi o c h e mi c al a n al y si s, bi oi nf or m ati c s t o ol s a n d d at a e v al u ati o n s y st e m s. T h e Pr o VI S C e nt er f or Vi s u alizi n g Bi o c h e mi c al Pr o c e s s e s ( U F Z) c o m bi n e s i nfr a str u ct ur e f or vi s u alizi n g a n d q u a ntif yi n g bi o c h e mi c al pr o c e s s e s a n d m et a b oli c i nt er a cti o n s i n bi ol o gi c al s y st e m s. A WI o p er at e s t h e c e nt er f or a q u a c ult ur e r e s e ar c h ( Z A F) wit h di v er s e s y st e m s t o c ult ur e all s p e ci e s i n t h e a q u a c ult ur e s p h er e, mi cr o al g a e, i n v ert e br at e s a n d fi s h. A WI h a s a c c e s s t o a st a n d ar diz e d bi o mi m eti c pr o d u ct d e v el o p m e nt pr o c e s s a n d s oft w ar e a n d a n A d diti v e M a n uf a ct uri n g L a b. C o o p er ati o n p art n er s. U Bi el ef el d ( C E BI T E C, Bi oi nf or m ati c s, i n d u stri al bi ot e c h n ol o g y), Bi o S C p art n er s i n pl a nt pr o d u cti o n, bi or e ff n eri e s, bi ot e c h n ol o g y a n d s o ci o- e c o n o mi c s, C LI B 2 0 2 1 (i n d u stri al bi ot e c h n ol o g y), E x - c ell e n c e Cl u st er s P h e n o R o b ( A gr o R o b oti c s) a n d C E P L A S ( Pl a nt S ci e n c e). Bi o E c o n o m y Cl u st er, S ci e n c e C a m - p u s pl a nt- b a s e d bi o e c o n o m y H all e ( W C H), U ni v er sit y of L ei pzi g ( mi cr o fi ui di c s), D E S Y, Air b u s A G ( Li g ht w ei g ht O pti miz ati o n), N o fi m a N or w a y; U ni A u c kl a n d, N Z ( s u st ai n a bl e A q u a c ult ur e). Ri s k s a n d O p p ort u niti e s. O ur r e s e ar c h h a s t h e o p p ort u nit y t o b e l e a di n g t h e d e v el o p m e nt of cr o p br e e di n g t o ol s, n o v el pr o d u ct s a n d f o o d pr o d u cti o n s y st e m s t o w ar d s s u st ai n a bl e bi o e c o n o m y a n d i n t h e d e v el o p m e nt a n d a p pli c ati o n of g e n eti c all y e n c o d e d bi o s e n s or s a n d si n gl e- c ell a n al yti c s i n mi cr o bi al str ai n d e v el o p m e nt. O ur r e s e ar c h will gi v e p ar a m et er s f or t h e ( e c o n o mi c) v al oriz ati o n of t h e e c o s y st e m s er vi c e of c o nt a mi n a nt d e gr a d ati o n a n d e st a bli s h a c o m pr e h e n si v e i nt e gr ati v e a s s e s s m e nt of t h e e n vir o n m e nt al f at e a n d e x p o s ur e of c h e mi c al s. D u e t o a n e xt e n si v e n et w or k, i n cl u di n g p art n er s fr o m di v er s e i n d u stri e s, w e h a v e a str o n g b a si s f or a p pli c ati o n s. T 7 h a s a hi g h e x p erti s e i n t e c h n ol o g y tr a n sf er t o i n d u str y. Ri s k s: str o n g i n v e st m e nt s i n ot h er c o nti n e nt s ( e. g., p h e n ot y pi n g) if f u n di n g i n G er m a n y / E ur o p e st a y s fr a g m e nt e d. C o m bi n ati o n of hi g h str u ct ur al di v er sit y of c h e mi c al s a n d c o m pl e xit y of e n vir o n m e nt al s y st e m s m a y n ot all o w f or c o m pr e h e n si v e pr e di cti o n s of c o nt a mi n a nt d e gr a d ati o n u p t o l ar g e s c al e. S u bt o pi c 7. 2 Utili z ati o n of r e n e w a bl e c ar b o n a n d e n er g y s o ur c e s a n d e n gi n e eri n g of e c o s y st e m f u n cti o n s A n dr e a s S c h mi d, U F Z; W olf g a n g Wi e c h ert, F ZJ S c o p e a n d c h all e n g e s. T h e t ar g et of S T 7. 2 i s t o d e si g n, u n d er st a n d, q u a ntif y a n d e n gi n e er r e s o ur c e- e fi ci e nt c o n v er si o n pr o c e s s e s a n d t e c h n ol o gi e s f or bi o e c o n o m y pr o d u ct s a s w ell a s pr o c e s s e s s u p p orti n g e c o s y st e m f u n cti o n s. A br o a d r e s o ur c e s p e ctr u m i s c o n si d er e d i n cl u di n g bi o m a s s- d eri v e d m at eri al fr o m pri m ar y pr o d u c- ti o n, r e si d u e s or w a st e, i n or g a ni c r e s o ur c e s s u c h a s C O2 a n d / or w at er, a s w ell a s r e s o ur c e s of f o s sil ori gi n. At t h e pr o d u ct si d e, pl atf or m a n d fi n e c h e mi c al s, mi cr o bi al a n d pl a nt s e c o n d ar y m et a b olit e s, p h ar m a c e uti c al s, pr ot ei n s, m at eri al s, e n er g y c arri er s, a n d el e ctri cit y will b e a d dr e s s e d. T h e S T al s o t ar g et s t h e d e v el o p m e nt of bi ol o gi c al a n d t e c h ni c al s y st e m s t h at ar e u s e d t o mi n e, d e gr a d e, a n d m a n a g e c h e mi c al s i n n at ur al a n d t e c h ni - c al s y st e m s. S T 7. 2 c o v er s f o ur m aj or t e c h n ol o gi c al r o ut e s: • I n bi or e fl n eri e s , bi o m a s s i s r e ff n e d t o i nt er m e di at e s or fi n al pr o d u ct s. Bi o m a s s i s e ff ci e ntl y pr e-tr e at e d a n d fr a cti o n at e d t o m a k e bi o- b a s e d s u b str at e s a v ail a bl e f or i n d u stri al bi ot e c h n ol o g y a n d c h e mi str y, or dir e ctl y c o n v ert e d b y mi cr o bi al c o n s orti a. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 9 5

T o pi c 7: T o w ar d s a S u st ai n a bl e Bi o e c o n o m y – R e s o ur c e s, Utiliz ati o n, E n gi n e eri n g a n d A gr o E c o s y st e m s a n d c o n str u ct e d c o n s orti a t o p ur e c ult ur e s. B e y o n d s oli d a n d li q ui d or g a ni c f e e d st o c k, g a s e s ( H 2 / C O 2 or s y n g a s, e. g., fr o m g a si fi c ati o n of dr y bi o m a s s) will b e utiliz e d a s c ar b o n a n d e n er g y s o ur c e s i n a ut otr o p hi c a n d mi x otr o p hi c pr o c e s s e s. I n t hi s c o nt e xt, el e ctri cit y tr a n sf er m et h o d s pr o vi d e fi e xi bl e t o ol s f or pr o c e s s e n gi n e eri n g. T h e c o m bi n e d u s e of bi o- b a s e d a n d n o n- bi o b a s e d r e n e w a bl e r e s o ur c e s will b e t ar g et e d b y el e ctr o bi ot e c h n ol o g y a n d P o w er-t o- X a p pr o a c h e s, t h er e b y c o u pli n g t h e c h e mi c al a n d e n er g y s e ct or s. T h e c o n c e pt of el e ctr o- bi or e fi n eri e s pr o vi d e s a n u m br ell a f or t h e f or e s e e n a cti viti e s. W e will e s p e ci all y f o c u s o n i) pr o vi di n g bi o g e ni c c h e mi c al f e e d st o c k f or s u b s e q u e nt mi cr o bi al c o n v er si o n s ( e. g., bi o el e ctr o c h e mi c al C O 2 -r e d u cti o n), a n d ii) u p gr a di n g of r e a ct or mi cr o bi o m e- d eri v e d pr o d u ct s u si n g el e ctr o or g a ni c s y nt h e s e s. Mi cr o bi al el e ctr o s y nt h e s e s b a s e d o n t h e dir e ct wiri n g of mi cr o bi al m et a b oli s m a n d el e ctr o d e r e a cti o n s will b e i n v e sti g at e d e x pl oiti n g r e a ct or mi cr o bi o m e s h ar b ori n g el e ctr o a cti v e mi cr o or g a ni s m s a s w ell a s el e ctr o a cti v e p ur e c ult ur e s. R e s e ar c h a cti viti e s will i nt e gr at e f u n d a m e nt al a s p e ct s, pr o c e s s c h ar a ct eriz ati o n a s w ell a s pr o c e s s a n d r e a ct or e n gi n e eri n g. St or a g e a n d u p gr a di n g o pti o n s f or g a s e o u s e n er g y c arri er s will b e d e v el o p e d a n d a s s e s s e d wit h r e g ar d t o e c ol o gi c al ri s k s, s u st ai n a bilit y, a n d t e c h ni c al f e a si bilit y. Utili z ati o n of bi o- b a s e d c ar b o n s o ur c e s f or v al u e- a d d e d pr o d u ct s. C h all e n g e: T o v al oriz e t h e h u g e p ot e nti al of bi ol o gi c al r e s o ur c e s ( S T 7. 1), mi cr o bi al pr o d u cti o n str ai n s, e n - z y m e s, a n d c h e mi c al tr a n sf or m ati o n st e p s n e e d t o b e d e v el o p e d, i nt e gr at e d, a n d a d a pt e d t o t e c h ni c al e n vi - r o n m e nt s, t h u s e n a bli n g t h e c o n v er si o n of r e n e w a bl e c ar b o n s o ur c e s ( e. g., C 6 a n d C 5 s u g ar s, C 1 c o m p o u n d s, cr u d e gl y c er ol) a n d of w a st e- str e a m s s u c h a s pl a sti c s i nt o v al u e- a d d e d pr o d u ct s ( c h e mi c al s, p h ar m a c e uti c al s, pr ot ei n s). I n a d diti o n t o t h e d e v el o p m e nt of i n n o v ati v e n e w pr o d u ct s a n d gr e e n er alt er n ati v e s t o e xi sti n g pr o - d u cti o n r o ut e s, t h e r e s ulti n g pr o c e s s e s m u st b e o pti miz e d ( a m o n g ot h er crit eri a) f or s p a c e-ti m e yi el d, s el e c - ti vit y, e c o n o mi c a n d e c ol o gi c al e ff ci e n c y. A p pr o a c h: T h e fir st pill ar f or a n e fi ci e nt mi cr o bi al c o n v er si o n of r e n e w a bl e c ar b o n s o ur c e s i s t h e cr e ati o n of e fi ci e nt pr o d u c er str ai n s. W e will a d v a n c e r ati o n al str ai n d e si g n u si n g a d v a n c e d s y nt h eti c bi ol o g y t o ol s ( e. g., C RI S P R- C a s- b a s e d g e n o m e e diti n g, s y st e m s m et a b oli c a n d tr a n s p ort e n gi n e eri n g, g e n o m e-r e d u c e d c h a s si s str ai n s). T h e o v er all ai m i s t o cr e at e str ai n s wit h a m et a b oli c hi g h w a y fr o m t h e s u b str at e s t o t h e d e sir e d pr o d u ct s. T h e a d v a n c e s i n D N A s y nt h e si s o p e n u p n o v el p o s si biliti e s i n t h e f a bri c ati o n of g e n eti c c o n str u ct s f or k n o w n or n o v el m et a b oli c p at h w a y s c o m bi ni n g g e n e s fr o m si n gl e or m ulti pl e d o n or or g a ni s m s i n cl u di n g s uit a bl e c o ntr ol el e m e nt s. Mi cr o bi al pr o d u cti o n of n at ur al pr o d u ct s wit h p ot e nti al a p pli c ati o n s i n c h e mi c al or p h ar m a c e uti c al i n d u stri e s o fi er s gr e at o p p ort u niti e s f or v al orizi n g bi ol o gi c al di v er sit y. Bi o s y nt h eti c p at h w a y s f or a v ari et y of s e c o n d ar y m et a b olit e s will b e tr a n s pl a nt e d i nt o mi cr o bi al c h a s si s str ai n s t o e n a bl e pr o d u c- ti o n of, f or e x a m pl e, pl a nt p ol y p h e n ol s wit h n utriti o n al or p h ar m a c e uti c al a p pli c ati o n s. Str ai n s t h at c o nt ai n r ati o n all y d e si g n e d p at h w a y s f or m ulti st e p bi o c at al y si s t o pr o d u c e, f or e x a m pl e, p ol y m er b uil di n g bl o c k s, will b e e n gi n e er e d. I n p ar all el, t h e m et a b oli s m of t h e pr o d u cti o n h o st s will b e o pti miz e d t o e n s ur e s u fl ci e nt pr e - c ur s or a n d e n er g y s u p pl y f or t h e e n vi s a g e d p at h w a y. A s a pr o mi si n g n e w a p pr o a c h, t h e d e si g n a n d s uit a bilit y of s y nt h eti c mi cr o bi al c o m m u niti e s f or c at al yzi n g c o m pl e x c o n v er si o n pr o c e s s e s will b e e v al u at e d. T hi s will i n cl u d e t h e c o m bi n ati o n of p h ot o a ut otr o p hi c a n d c h e m o h et er otr o p hi c mi cr o or g a ni s m s t o e x pl oit c o m pl e m e n- t ar y pr o p erti e s s u c h a s m ut u al s u p pl y wit h O2 a n d C O2 a n d bi o ffl m f or m ati o n c a p a biliti e s. R ati o n al a p pr o a c h e s f or str ai n d e v el o p m e nt will b e c o m pl e m e nt e d b y e v ol uti o n ar y a p pr o a c h e s. M aj or t ar g et s will b e t h e a p pli c ati o n of hi g h-t hr o u g h p ut s cr e e ni n g of str ai n a n d e nz y m e li br ari e s u si n g g e n eti c all y e n c o d e d bi o s e n s or s c o m bi n e d wit h F A C S ( S T 7. 1) a n d A L E ( A d a pti v e L a b or at or y E v ol uti o n). A L E h a s a v er y hi g h p ot e n - ti al f or str ai n o pti miz ati o n, f or e x a m pl e, b y c o u pli n g gr o wt h t o pr o d u ct f or m ati o n, p arti c ul arl y w h e n c o m bi n e d wit h r o b oti c s a n d ‘ s m art’ str ai n s s p e ci fi c all y e n gi n e er e d f or t hi s a p pr o a c h. G e n o m e s e q u e n c e a n al y si s of t h e e v ol v e d or g a ni s m s will yi el d u n k n o w n t ar g et s a n d v al u a bl e n e w i n si g ht s f or str ai n o pti miz ati o n b y m et a b ol - i c e n gi n e eri n g. B e si d e s m et a b olit e s, a n ot h er t ar g et a d dr e s s e d b y hi g h-t hr o u g h p ut m et h o d s i s t h e s e cr et or y pr o d u cti o n of pr ot ei n s wit h p h ar m a c e uti c al or i n d u stri al a p pli c ati o n s. T h e h u g e p ar a m et er s p a c e s (i n cl u di n g e x pr e s si o n str e n gt h, si g n al p e pti d e li br ari e s, m e di a c o m p o siti o n, pr o c e s s p ar a m et er s) will b e s cr e e n e d. Bi o pr o c e s s d e v el o p m e nt i s t h e s e c o n d pill ar of i n d u stri al bi ot e c h n ol o g y. It e m br a c e s t h e q u a ntit ati v e c h ar - a ct eriz ati o n of mi cr o bi al pr o d u c er str ai n s i n t e c h ni c al e n vir o n m e nt s a n d t h e o pti miz ati o n of t e c h ni c al p erf or - Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 9 7

T o pi c 7: T o w ar d s a S u st ai n a bl e Bi o e c o n o m y – R e s o ur c e s, Utiliz ati o n, E n gi n e eri n g a n d A gr o E c o s y st e m s pr o d u c e d b y p h ot o a ut otr o p hi c or g a ni s m s, w hi c h t h e n s er v e s a s c ar b o n s o ur c e f or e st a bli s h e d i n d u stri al pr o - d u cti o n str ai n s li k e E. c oli or p s e u d o m o n a d s f or s y nt h e si s of v al u e- a d d e d c o m p o u n d s. P h ot o s y nt h eti c e n er g y yi el d s i n t h e r a n g e of 1 0 % f or pr o d u ct s r el yi n g o n C O 2 fi x ati o n a n d u p t o 5 0 % f or pr o d u ct s o nl y r el yi n g o n li g ht r e a cti o n s, s u c h a s H2 , c a n b e e n vi s a g e d. L a st b ut n ot l e a st, w e will d e v el o p s uit a bl e c ulti v ati o n s ol uti o n s e n a bli n g t h e o p er ati o n of p h ot otr o p h s at hi g h c ell d e n siti e s (li n k t o S T 7. 1 f or al g a e). A s a m ai n a p pr o a c h, s urf a c e- att a c h e d bi o fil m s will b e a p pli e d, c o n stit ut - e d of eit h er si n gl e s p e ci e s or d e fi n e d s y nt h eti c c o n s orti a. Bi o ffl m s ar e v er y r o b u st, e n a bl e hi g h c ell d e n siti e s a n d c o nti n u o u sl y r e g e n er at e t h e m s el v e s. Li g ht a s si mil ati o n a n d p e n etr ati o n ar e k e y i s s u e s w h e n w or ki n g wit h p h ot o a ut otr o p hi c or g a ni s m s gr o wi n g i n m ulti-l a y er s. P h ot o s y nt h eti c e fi ci e n c y a n d p h ot oi n hi bit or y e fi e ct s i n li g ht- e x p o s e d bi o fil m l a y er s will b e a n al yz e d o n a si n gl e c ell l e v el a s w ell a s f or e ntir e bi o fil m s u si n g Pr o VI S f a ciliti e s. A s si st e d b y a m ulti s c al e bi o fll m m o d el, c ulti v ati o n of p h ot o a ut otr o p hi c bi o ffl m s will b e e st a bli s h e d i n n o v el t u b ul ar mi cr or e a ct or s wit h a m a xi miz e d s urf a c e ar e a t o v ol u m e r ati o. E n vir o n m e nt al bi ot e c h n ol o g y a n d e n gi n e eri n g f or a s u st ai n a bl e u s e of c h e mi c al s. C h all e n g e: T h e i n cr e a si n g l e v el of ur b a niz ati o n g e n er at e s e c o s y st e m pr e s s ur e p arti c ul arl y at ur b a n-r ur al i nt er - f a c e s. O pti o n s f or r e c y cli n g, l o c al st or a g e a n d r e- u s e of w at er i n ur b a n a n d p eri- ur b a n e n vir o n m e nt s n e e d t o b e i n v e sti g at e d a n d d e v el o p e d ( S T 7. 1). E s p e ci all y w at er b or n e p ol ar c h e mi c al s ( e. g., a nti mi cr o bi al s, p e sti ci d e s a n d h or m o n e s) ar e c h all e n gi n g d u e t o t h eir oft e n l o w c o n c e ntr ati o n s, hi g h m o bilit y a n d str u ct ur al di v er sit y. T ail or- m a d e i m pl e m e nt ati o n of e n vir o n m e nt al bi ot e c h n ol o g y a n d d e c e ntr aliz e d e n gi n e eri n g s ol uti o n s i nt o ur - b a n a n d p eri- ur b a n w at er m a n a g e m e nt i s n e e d e d t o li mit a nt hr o p o g e ni c str e s s o n a q u ati c ( a n d t err e stri al) e c o s y st e m s a n d h u m a n w at er r e s o ur c e s ( T 5). F urt h er m or e, c h a n g e s i n cli m at e m a y c a u s e fi o o di n g e ff e ct s or dr o u g ht s – b ot h a c h all e n g e f or ur b a n w at er a n d w a st e w at er i nfr a str u ct ur e s. A p pr o a c h: E n vir o n m e nt al ( bi o-) t e c h n ol o gi c al t o ol s t o pr o d u c e r e sili e nt w at er tr e at m e nt t e c h n ol o gi e s will b e d e si g n e d f or t h e r e m o v al of c h e mi c al s a n d c o m pl e x mi xt ur e s t h er e of will b e d e v el o p e d. M ulti-f u n cti o n al a n d d e c e ntr aliz e d pr o c e s s s ol uti o n s f or w at er q u alit y c o ntr ol will r el y o n a c o n st a ntl y u p d at e d ‘t o ol b o x’ f or c h e m - i c al s’ r e m o v al, i n cl u di n g i m pr o v e d, n at ur e- b a s e d t e c h n ol o gi e s a n d n e w m at eri al s. T hi s i n cl u d e s t h e d e v el o p- m e nt of s p e ci aliz e d s e p ar ati o n m at eri al s a n d t h e d e si g n of e n gi n e eri n g a p pr o a c h e s f or d e c e ntr aliz e d w at er a n d w a st e w at er tr e at m e nt f or r e m o v al of p ol ar, hi g hl y w at er- s ol u bl e s u b st a n c e s. C o m bi n e d wit h i n si g ht s a b o ut c o nt e xt- s p e ci fl c f a ct or s a n d tr e n d s i n c l u di n g d e m o gr a p hi c a n d cli m at e p ar a m et er s, p att er n s of w at er u s a g e, p u bli c ri s k a w ar e n e s s a n d i nfr a str u c- t ur al n e e d s ( T 5) will f or m t h e b a si s f or m o d el s of r e sili e nt gr e e n s y st e m ar c hit e ct ur e f or t h e ‘ cit y of t h e f ut ur e’ a n d t h e c o- d e si g n a n d i m pl e m e nt ati o n of r o b u st n at ur e- b a s e d t e c h n ol o gi e s (li n k t o S T 7. 1). I n p ar all el, w or k o n a d v a n c e d m at eri al d e si g n a n d m et h o d i m pr o v e m e nt f or i n sit u a n d e x sit u t e c h n ol o gi e s i s e s s e nti al. R el yi n g o n c utti n g- e d g e m et h o d s fr o m a n al yti c al c h e mi str y a n d e c ot o xi c ol o g y, i n e x p e n si v e a n d u s er-fri e n dl y s cr e e ni n g t o ol s f or q u a ntif yi n g mi xt ur e s a n d t h eir e c ot o xi c ol o gi c al e fi e ct s i n tr e at e d w at er will t h e n b e d e v el - o p e d a n d t e st e d ( T 9). T h e s e r e s ult s h a v e t h e p ot e nti al t o cr e at e a p ar a di g m s hift i n t h e e n gi n e eri n g d e si g n pr o c e s s. R e sili e nt w at er tr e at m e nt t e c h n ol o gi e s s p e ci fi c all y d e si g n e d f or t h e r e m o v al of c h e mi c al s i n r e al w at er m atri c e s ( T 5) will b e d e v el o p e d. D eli v er a bl e s ( D) a n d Mil e st o n e s ( M) • • • D 7. 6 ( 2 0 2 7): D e v el o p m e nt a n d i m pr o v e m e nt of bi ot e c h n ol o gi c al pr o c e s s e s of m ai nl y a n a er o bi c a n d el e ctr o- a cti v e mi cr o or g a ni s m s t o pr o d u c e b ul k c h e mi c al s a n d e n er g y c arri er s. M 7. 6- 1 ( 2 0 2 4): A n al y si s of e c ol o gi c al, p h y si ol o gi c al a n d t h er m o d y n a mi c c o n str ai nt s of r e a ct or mi cr o bi o m e s a s w ell a s t h eir m et a b oli c p at h w a y s a n d tr o p hi c i nt er a cti o n s at l e v el s of c o m m u niti e s, e nri c h e d a n d c o n str u ct e d c o n s orti a t o p ur e c ult ur e s. D 7. 7 ( 2 0 2 4): E st a bli s h m e nt of bi o s y nt h eti c p at h w a y s f or a v ari et y of s e c o n d ar y m et a b olit e s i nt o mi cr o bi al c h a s si s str ai n s. M 7. 7- 1 ( 2 0 2 4): Pr o d u cti o n of pl a nt p ol y p h e n ol s wit h n utriti o n al or p h ar m a c e uti c al a p pli c ati o n s. D 7 . 8 ( 2 0 2 7): D e v el o p m e nt of c y a n o b a ct eri a- b a s e d c ell f a ct ori e s a n d pr o c e s s c o n c e pt s f or r e d o x bi o c a- t al y si s c o u pl e d t o p h ot o s y nt h eti c w at er o xi d ati o n a n d el e ctr o n tr a n s p ort f or t h e pr o d u cti o n of i n d u stri al c h e mi c al s a n d e n er g y c arri er s wit h h y dr o g e n. M 7. 8- 1 ( 2 0 2 4): C ell f a ct ori e s f or p h ot o s y nt h e si s- dri v e n r e d o x c at al y si s wit h o pti miz e d el e ctr o n tr a n sf er. M 7. 8- 2 ( 2 0 2 5): Hi g h- d e n sit y c ulti v ati o n of p h ot o a ut otr o- p hi c bi o fil m s i n t u b ul ar mi cr or e a ct or s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 1 9 9

T o pi c 7: T o w ar d s a S u st ai n a bl e Bi o e c o n o m y – R e s o ur c e s, Utiliz ati o n, E n gi n e eri n g a n d A gr o E c o s y st e m s W or k pr o gr a m. N o v el m o nit ori n g t e c h n ol o gi e s f or s u st ai n a bl e m a n a g e m e nt of a gr o- bi o g e o s y st e m s. C h all e n g e: T o i m pr o v e u n d er st a n di n g of h y dr ol o gi c al a n d bi o g e o c h e mi c al pr o c e s s e s a cr o s s s c al e s a n d t o s u p p ort s u st ai n a bl e m a n a g e m e nt of a gr o- bi o g e o s y st e m s, t h er e i s a n e e d f or o b s er v ati o n t e c h n ol o gi e s a n d str at e gi e s t o i nt e gr at e o b s er v ati o n al i nf or m ati o n i nt o m o d el s t o i m pr o v e t h e s u st ai n a bilit y a n d t h e pr o d u cti o n u s e of a gr o- bi o g e o s y st e m s. A p pr o a c h: A u ni q u e e x p eri m e nt al f a cilit y f or e x p eri m e nt s i n l ar g e m e s o c o s m s ( A G R A SI M) will b e d e v el o p e d, a n d will o b s er v e t h e s oil- pl a nt- at m o s p h er e c o nti n u u m. I n or d er t o f urt h er i m pr o v e o ur a bilit y t o o b s er v e t h e s oil c o m p art m e nt at t hi s m e s o c o s m s c al e, a hi g h-r e s ol uti o n i m a gi n g s y st e m b a s e d o n el e ctr o m a g n eti c w a v e pr o p a g ati o n will b e d e v el o p e d. T h e a d d e d v al u e of t hi s s y st e m will b e hi g hli g ht e d u si n g m a ni p ul ati o n e x p er - i m e nt s t ar g eti n g t h e i m pr o v e d u n d er st a n di n g of dr o u g ht c o n diti o n s o n pr o d u cti o n s y st e m s. K n o wl e d g e o n t h e wit hi n- fi el d v ari a bilit y of s oil pr o p erti e s still i s a li miti n g f a ct or f or t h e q u a nti fi c ati o n of e n vir o n m e nt al i m p a ct s a n d c o ntr ol s wit hi n s u st ai n a bl e pr o d u cti o n s y st e m s. N o v el g e o p h y si c al t e c h n ol o gi e s a n d i nt er pr e- t ati o n str at e gi e s will b e d e v el o p e d t h at a d dr e s s t hi s l a c k of i nf or m ati o n a n d e n a bl e i m pr o v e d wit hi n- fi el d m a n a g e m e nt of pr o d u cti o n s y st e m s. T o g et h er wit h o b s er v ati o n s fr o m dr o n e s a n d r e m ot e s e n si n g pl atf or m s, g e o p h y si c al o b s er v ati o n t e c h n ol o gi e s will b e i nt e gr at e d i nt o a m ulti- s c al e o b s er v ati o n pl atf or m t h at s u p p ort s t h e n e ar r e al-ti m e m a n a g e m e nt of pr o d u cti o n s y st e m s ( Fi g. 7. 4). S p e ci al f o c u s will b e o n t h e q u a nti ff c ati o n of s ol ar-i n d u c e d c hl or o p h yll fi u or e s c e n c e ( SI F) fr o m pl a nt s ( wit h S T 7. 1), w hi c h c a n b e m e a s ur e d a cr o s s s c al e s fr o m gr o u n d- b a s e d pl atf or m s a n d t h e hi g h- p erf or m a n c e air b or n e i m a gi n g s e n s or ‘ H y Pl a nt’. SI F i n c o m bi n ati o n wit h k n o wl e d g e a b o ut s oil pr o p erti e s s er v e s a s a n o v el i n di c at or f or e arl y v e g et ati o n str e s s d et e cti o n a n d will b e u s e d t o i m pr o v e o ur c ar b o n a n d w at er m o d el s. SI F m e a s ur e m e nt s will b e a v ail a bl e fr o m t h e f ut ur e gl o b al F L E X s at ellit e mi s si o n of t h e E ur o p e a n S p a c e A g e n c y ( E S A). W e will s u p p ort d at a pr o d u ct d e v el o p m e nt a n d c o ntri b ut e t o t h e v ali d ati o n of t h e s at ellit e pr o d u ct s. I n or d er t o m a xi miz e t h e v al u e of t h e o b s er v ati o n s, a n i nt e gr ati o n of t h e o b s er v ati o n al d at a o n t h e l a b or at or y, fi el d, or r e gi o n al s c al e i n t h e a v ail a bl e si m ul ati o n pl at- f or m s i s e s s e nti al. T hi s r e q uir e s t h e d e v el o p m e nt of o p er at or s t o li n k m e a s ur e d a n d m o d el e d st at e v ari a bl e s a n d c o n c e pt s h o w o b s er v e d p att er n s i n pr o p erti e s c a n b e tr a n sf or m e d i nt o r el e v a nt s oil a n d cr o p i nf or m ati o n. Bi o g e o c h e mi c al a n d h y dr ol o gi c al c o ntr ol s o n a gr o- bi o g e o s y st e m s. C h all e n g e: S u st ai n a bl e bi o m a s s pr o d u cti o n i s c h ar a ct eriz e d b y l o w u s e of r e s o ur c e s, hi g h n utri e nt a n d w a- t er u s e e fi ci e n c y, a n d pr e s er v ati o n of s oil h e alt h a s w ell a s air a n d w at er q u alit y. A c hi e vi n g a n d m ai nt ai ni n g s u st ai n a bilit y of a gr o- bi o g e o s y st e m s a n d t h eir f e e d b a c k s i n a c h a n gi n g w orl d r e q uir e s d e e p k n o wl e d g e of t h e u n d erl yi n g bi o g e o c h e mi c al a n d h y dr ol o gi c al pr o c e s s e s a n d t h eir r e s p o n s e t o gl o b al c h a n g e. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 0 1 Fi g. 7. 4: Di git al s oil m a p of t h e e x p eri m e nt al sit e at S el h a u s e n d eri v e d fr o m E MI s ur v e y s a n d pr e - di ct e d s u g ar b e et pr o d u cti vit y.

T o pi c 7: T o w ar d s a S u st ai n a bl e Bi o e c o n o m y – R e s o ur c e s, Utiliz ati o n, E n gi n e eri n g a n d A gr o E c o s y st e m s • D 7 . 1 1 ( 2 0 2 7): Pr e di cti o n s of a n d s e a ml e s s f or e c a st s f or o pti m al m a n a g e m e nt a n d it s i m p a ct s o n r e s o ur c e c y cl e s i n t err e stri al s y st e m s. M 7. 1 1- 1 ( 2 0 2 4): S oil pr o c e s s-f u n cti o n al str u ct ur al pl a nt si m ul ati o n pl at - f or m. M 7. 1 1- 2 ( 2 0 2 7): S e a ml e s s f or e c a st s of t h e st at e of pr o d u cti o n s y st e m s at c o nti n e nt al s c al e wit h T err S y s M P. M 7. 1 1- 3 ( 2 0 2 7): E c o s y st e m r e a n al y si s pr o vi di n g a b e n c h m ar k a g ai n st w hi c h f ut ur e c h a n g e s a n d e xtr e m e s c a n b e e v al u at e d. I nfr a str u ct ur e s a n d s p e ci fi c r e s o ur c e s. W e o p er at e a n d c o ntri b ut e t o s e v er al r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e s ( A G R A SI M, T E R E N O, M O S E S) a n d t h e m o d eli n g c o m p et e n c e c e nt er T err S y s. A G R A SI M i s a n i n d o or m e s o c o s m r e s e ar c h f a cilit y t o a n al yz e a n d o pti miz e a gri c ult ur al s y st e m s u n d er pr e s e nt a n d f ut ur e cli m ati c c o n diti o n s. It will pr o vi d e a cr u ci al li n k b et w e e n l a b a n d l y si m et er- b a s e d st u di e s a n d fi el d a n d c at c h m e nt- b a s e d pl atf or m s (t u b e-r hiz otr o n f a cilit y S el h a u s e n, T E R E N O) e n a bli n g s e a ml e s s h y dr ol o gi c al a n d bi o g e o c h e mi c al r e s e ar c h a cr o s s s c al e s. T E R E N O i s a r e s e ar c h pl atf or m f or l o n g-t er m o b s er v ati o n a n d m o d eli n g of e n vir o n m e nt al pr o - c e s s e s i n t h e fr a m e w or k of gl o b al c h a n g e. It i s c o or di n at e d b y F ZJ a n d e m b e d d e d i n n ati o n al a n d i nt er n ati o n al pl atf or m s (I C O S- D, I C O S, e L T E R). T h e m o d ul ar o b s er v ati o n pl atf or m M O S E S i s u s e d t o i m pr o v e o ur u n d er - st a n di n g of e v e nt- b a s e d pr o c e s s e s c a u s e d b y h e at w a v e s a n d h y dr ol o gi c e xtr e m e s. B ot h T E R E N O a n d M O S E S pr o vi d e t h e b a si s f or t h e f urt h er d e v el o p m e nt a n d v ali d ati o n of t h e T err S y s M P si m ul ati o n pl atf or m. C o o p er ati o n p art n er s. G e o v er b u n d A B C /J, Bi o e c o n o m y S ci e n c e C e nt er ( Bi o S C). E x c ell e n c e Cl u st er P h e n o R o b ( U B o n n) n o v el a n d a ut o m at e d a gri c ult ur al m a n a g e m e nt s y st e m s. I nt er n ati o n al str at e gi c p art n er s ar e fr o m E S- F RI pr oj e ct s e LT E R a n d I C O S, C Z E N ( m o nit ori n g e c o s y st e m s) a s w ell a s fr o m t h e i nt er n ati o n al s oil m o d eli n g c o n - s orti u m I S M C, t h e W orl d Cli m at e R e s e ar c h Pr o gr a m G E W E X a n d C O R D E X pr oj e ct s ( si m ul ati o n a n d m o d eli n g). Ri s k s a n d O p p ort u niti e s. G e o v er b u n d a n d H P S C ar e i d e al pl atf or m s t o d e v el o p str at e gi c r e s e ar c h i n Afri c a; Ri s k: l a c k of f u n di n g t o c o nti n u e r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e s li k e T E R E N O. E) Pr e vi o u s a c hi e v e m e nt s of t h e c o ntri b uti n g c e nt er s a n d i nfr a str u ct ur e s E x p erti s e a n d pr eli mi n ar y w or k. M o st of t h e r e s e ar c h er s of T 7 h a v e n ot b e e n i n Pr o gr a m s of t h e R F E & E i n P o F III, b ut di d t h eir r e s e ar c h i n t h e R F K e y T e c h n ol o gi e s a n d R F E n er g y i n P o F III. T h e o p p ort u nit y t o b u n dl e bi o e c o n o m y r e s e ar c h i n t h e H el m h oltz A s s o ci ati o n wit hi n t hi s Pr o gr a m w a s t h er ef or e hi g hl y a p pr e ci at e d a n d b uil d s o n di v er s e pr e vi o u s a c hi e v e m e nt s. F ZJ bi o e c o n o m y r e s e ar c h b uil d s str o n g r e gi o n al n et w or k s a n d s ci e n c e c o o p er ati o n li k e Bi o S C, G e o v er b u n d or C Lli B 2 0 2 1. Bi o e c o n o m y r e s e ar c h er s ar e m e m b er s of t hr e e D F G e x c ell e n c e cl u st er s, n a m el y P h e n o R o b ( a gr o-r o b oti c s), C E P L A S 2 ( pl a nt s ci e n c e s) a n d F u el s S ci e n c e C e nt er ( c o n v er si o n of r e n e w a bl e c ar b o n). Mi- cr o bi al bi ot e c h n ol o g y at F ZJ h a s a l o n g r e c or d of a c c o m pli s h m e nt of d e v el o pi n g a n d a p pl yi n g mi cr o or g a ni s m s a n d i s ol at e d e nz y m e s f or t h e s y nt h e si s of v al u e- a d d e d pr o d u ct s fr o m r e n e w a bl e c ar b o n s o ur c e s. T h e f o c u s i s o n m et a b oli c a n d r e g ul at or y n et w or k s of i n d u stri al mi cr o b e s a n d str ai n d e v el o p m e nt, c ell- b a s e d a n d c ell-fr e e bi o pr o c e s s e s, i d e nti fi c ati o n, i s ol ati o n a n d c h ar a ct eriz ati o n of e nz y m e s a n d t h eir a p pli c ati o n i n bi ot e c h n ol o g y, a n d o n c h e m o e nz y m ati c pr o c e s s e s f or t h e s y nt h e si s of c hir al, e n a nti o m eri c all y p ur e i nt er m e di at e s f or n at ur al pr o d u ct s. Pl a nt S ci e n c e s at F ZJ i s l e a di n g i n pl a nt p h e n ot y pi n g i nt e gr ati n g t h e s e ar c h f or n o v el tr ait s a n d t h e d e v el o p m e nt of st at e- of-t h e- art t e c h n ol o g y f or s cr e e ni n g. B a s e d o n it s u ni q u e t e c h n ol o gi c al c a p a bilit y a n d e x p erti s e i n cr o p p h y si ol o g y t h e i n stit ut e h a s d e v el o p e d t h e G er m a n, E ur o p e a n a n d gl o b al pl a nt p h e n ot y pi n g l a n d s c a p e i n r e c e nt y e ar s a n d s et u p m aj or i nt er n ati o n al a cti viti e s i n cr o p p h e n ot y pi n g li k e D P P N, E M P H A SI S or I P P N. F ZJ i s al s o l e a di n g i n d e v el o pi n g alt er n ati v e bi o m a s s cr o p s f or i nt e gr at e d bi or e ff n er y a p pr o a c h e s f or b ul k a n d hi g h- v al u e s e c o n d ar y s u b st a n c e s ( cir c ul ar e c o n o m y). A gr o s p h er e r e s e ar c h at F ZJ c o m bi n e s t h e d e - v el o p m e nt a n d u s e of o b s er v ati o n t e c h n ol o gi e s wit h u ni q u e cr o s s- s c al e e x p eri m e nt al st u di e s a n d a d v a n c e d i n - t e gr at e d t err e stri al m o d el s t o pr o vi d e s ol uti o n s f or a s u st ai n a bl e u s e of a gr o- bi o g e o s y st e m s. It pl a y s a l e a di n g r ol e i n i nt er n ati o n al a cti viti e s s u c h a s I S M C, I C O S a n d e L T E R wit h a f o c u s o n h y dr ol o gi c al a n d bi o g e o c h e mi c al pr o c e s s st u di e s a n d t h e d e v el o p m e nt of f or e c a sti n g t o ol s f or cli m at e- s m art a gri c ult ur e. F ZJ h o st s t h e c o or di - n ati o n o fi c e of I S M C f or t h e a d v a n c e m e nt of s oil m o d eli n g. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 0 3

T o pi c 7: T o w ar d s a S u st ai n a bl e Bi o e c o n o m y – R e s o ur c e s, Utiliz ati o n, E n gi n e eri n g a n d A gr o E c o s y st e m s N a m e of str at e gi c p art n er Fi el d s of c o o p er ati o n J oi nt e fi ort s + p er s p e cti v e s E M P H A SI S E S F RI pr oj e ct htt p s: / / e m p h a si s. pl a nt- p h e n o- t y pi n g. e u / e L T E R E S F RI pr oj e ct htt p s: / / w w w.lt er- e ur o p e. n et / Bi o e c o n o m y S ci e n c e C e nt er ( Bi o S C) wit h U B o n n, U D ü s s el d orf, R W T H A a c h e n w w w. bi o s c. d e Cl u st er of E x c ell e n c e P h e n o R o b wit h U B o n n a n d F h G w w w. p h e n or o b. d e Cl u st er of E x c ell e n c e C E P L A S 2 wit h U D ü s s el d orf, U C ol o g n e, M PI C ol o g n e w w w. c e pl a s. e u R e s e ar c h , K n o wl e d g e tr a n sf er, T al e nt M a n a g e m e nt ( si n c e 2 0 1 8) • D e v el o p m e nt of i nfr a str u c- t ur e s a n d pr o vi di n g a c c e s s f or m ulti- s c al e p h e n ot y pi n g t o a n al yz e g e n ot y p e p erf or m a n c e i n di v er s e e n vir o n m e nt s a n d q u a ntif y t h e di v er sit y of tr ait s R e s e ar c h , K n o wl e d g e tr a n sf er, T al e nt M a n a g e m e nt ( si n c e 2 0 1 8) • D e v el o p m e nt of a E ur o p e a n r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e o n I nt e gr at e d E ur o p e a n L o n g- T er m E c o s y st e m, Criti c al Z o n e & S o ci o- E c ol o gi c al R e s e ar c h I nfr a str u ct ur e R e s e ar c h , K n o wl e d g e tr a n sf er, T al e nt M a n a g e m e nt ( si n c e 2 0 1 0) • S m art m a n a g e m e nt f or pl a nt • p erf or m a n c e I nt e gr at e d bi or e fi n eri e s f or s u st ai n a bl e pr o d u cti o n a n d pr o c e s si n g • Tr a n sf or m ati o n s f or hi g h- v al u e c h e mi c al s R e s e ar c h, K n o wl e d g e tr a n sf er, T al e nt M a n a g e m e nt, I nfr a str u ct ur e ( si n c e 2 0 1 9) • M a c hi n e l e ar ni n g a n d r o b oti c s • P h e n ot y pi n g • M o d eli n g • S o ci o- e c o n o m y of t e c h n ol o g y tr a n sf er R e s e ar c h, K n o wl e d g e tr a n sf er, T al e nt M a n a g e m e nt ( si n c e 2 0 1 3) • D e v el o p m e nt a n d m et a b oli s m • Pl a nt Mi cr o bi ot a M et a b oli c N et w or k s • S y nt h eti c a n d R e c o n str u cti o n Bi ol o g y • T h e or eti c al Pl a nt Bi ol o g y a n d D at a S ci e n c e • D e v el o p a n i nt e gr at e d P a n- E ur o p e a n i nfr a str u ct ur e of i n str u m e nt e d f a ciliti e s f or pl a nt br e e di n g • D e si g n a n d e st a bli s h m e nt of t h e E ur o p e a n p h e n ot y pi n g d at a s y st e m s • D e v el o p, e v al u at e a n d di s s e mi n at e n o v el p h e n ot y pi n g t e c h n ol o gi e s • S y st e m ati c c o v er a g e of m aj or E ur o p e a n t err e stri al, fr e s h w at er a n d tr a n siti o n al w at er e n vir o n m e nt s • I nt e gr at e d o b s er v ati o n s a cr o s s t h e criti c al z o n e • I nt er a cti o n s b et w e e n a bi oti c a n d bi oti c e c o s y st e m c o m p o n e nt s • D e v el o p m e nt of i nt e gr at e d bi o e c o n o m y c o n c e pt s • I nt e gr ati o n of bi o e c o n o m y i n a cir c ul ar, h y bri d e c o n o m y • M o d el r e gi o n Bi o e c o n o m y R hi n el a n d • S o ci o- e c o n o m y of bi o e c o n o m y a n d e c o- n o mi c tr a n sf or m ati o n • D e v el o p m e nt a gr or o b oti c s f or p h e n ot y pi n g a n d cr o p m a n a g e m e nt • M o d el- b a s e d cr o p m a n a g e m e nt a n d br e e di n g Cr o p e fi ci e n c y a n d str e s s r e sili e n c e • • Pl a nt- mi cr o b e i nt er a cti o n s • Bi oi nf or m ati c s • Pr e- br e e di n g Mi K a T – C e nt er f or Bi o c at al y si s U L ei pzi g, H all e, Dr e s d e n, Fr ei b er g, F h G C B P, I P B H all e w w w. mi k at.i nf o R e s e ar c h, K n o wl e d g e tr a n sf er, T al e nt M a n a g e m e nt ( si n c e 2 0 1 5) • D e v el o p m e nt of a n e x p ert • E x c ell e nt a n d j oi nt R & D a n d tr a n sf er i n i n d u stri al bi ot e c h n ol o g y / bi o e c o n o m y • C o or di n ati o n of t e a c hi n g a n d R & D • S u p p ort of t h e e d u c ati o n al g o al s of t h e n et w or k f or bi o c at al y si s Bi o E c o n o m y Cl u st er • B a si s f or n ati o n al a n d i nt er n a- ti o n al r e s e ar c h pr oj e ct s Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 0 5

T o pi c 7: T o w ar d s a S u st ai n a bl e Bi o e c o n o m y – R e s o ur c e s, Utiliz ati o n, E n gi n e eri n g a n d A gr o E c o s y st e m s E x e c uti v e S u m m ar y • • • T 7 i s u ni q u el y p o siti o n e d t o b al a n c e t h e d e m a n d f or pr o d u ct s b a s e d o n n at ur al r e s o ur c e s a n d t h eir s t e w ar d s hi p b y i nt e gr ati n g bi o e c o n o m y r e s e ar c h i nt o E art h S y st e m R e s e ar c h. O ur r e s e ar c h f o c u s- e s o n i m pr o vi n g bi ol o gi c al a n d e n vir o n m e nt al r e s o ur c e s f or s u st ai n a bl e pr o d u cti o n, u tiliz ati o n of re n e w a bl e c ar b o n a n d bi o-i n s pir e d t e c h n ol o gi c al s y st e m s. R e s ult s will s u p p ort cir c ul ar e c o n o m y c o n c e pt s a n d E art h s y st e m m a n a g e m e nt. R e s e ar c h c a p a biliti e s of T 7 u ni q u el y i nt erli n k bi ol o gi c al, c h e mi c al, e n gi n e eri n g a n d di git al s ci e n c e s. T hi s e x c e pti o n al pr o fil e all o w s u ni q u e q u a ntit ati v e a p pr o a c h e s t o o pti miz e cr o p s a n d a gri c ult ur al pr o d u cti o n, a q u a c ult ur e, mi cr o bi al a n d bi ot e c h n ol o g y s y st e m s f or e fi ci e nt u s e, n o v el pr o d u ct s a n d st e w ar d s hi p of n at ur al r e s o ur c e s. B y d eli v eri n g s ol uti o n s f or a s u st ai n a bl e bi o e c o n o m y, T 7 c o ntri b ut e s dir e ctl y a n d i n c o o p er ati o n wit h ot h er T o pi c s t o pr o vi di n g a s u st ai n a bl e f o o d /f e e d s o ur c e f or a gr o wi n g p o p ul ati o n ( O bj e cti v e 7) a s w ell a s i nt e gr ati n g bi o e c o n o m y i nt o a cir c ul ar e c o n o m y a p pr o a c h f or n o n-f o o d pr o d u ct a n d e n er g y ( 8). Bi o e c o n o m y-r el at e d pr o d u cti o n dri v e s a n d i s a fi e ct e d b y cli m at e c h a n g e ( 2, 3, 1 0) a n d e xtr e m e e n vir o n m e nt al e v e nt s ( 1) i n t err e stri al a n d m ari n e e c o s y st e m s ( 6). G e n er ati n g i n n o v ati v e s ol uti o n s i n bi o e c o n o m y i s c e ntr al t o i m pr o vi n g e n vir o n m e nt al a n d h u m a n h e alt h ( 9). Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 0 7

T o pi c 8: G e or e s o ur c e s f or t h e E n er g y Tr a n siti o n a n d a Hi g h- T e c h S o ci et y al o n e a n d r e q uir e s i nt e n si v e e x pl or ati o n f or t h o s e r e s o ur c e s t h at c a n b e d e v el o p e d t h e m o st s u st ai n a bl y. 2 1 4 T 8 will b e a m o n g t h e fir st d e di c at e d g e o s ci e n c e i niti ati v e s w orl d wi d e t o f o c u s o n d e e p r e s o ur c e s a s t h e s ol uti o n t o o ur f ut ur e e n er g y a n d r a w m at eri al s s u p pl y. R e alizi n g t h o s e s ol uti o n s will r e q uir e n e w c o n c e pt s f or s u b s ur- f a c e utiliz ati o n a n d g e ol o gi c al st or a g e of w a st e fr o m e n er g y pr o d u cti o n, n e w t e c h ni q u e s f or t h e di s c o v er y of s u b s urf a c e mi n er al r e s o ur c e s o n l a n d a n d i n t h e o c e a n s, a n d n e w o b s er v ati o n al, e x p eri m e nt al a n d si m ul ati o n pl atf or m s f or d e v el o pi n g n o v el e x pl oit ati o n str at e gi e s. T h e pr o p o s e d r e s e ar c h will t a k e a d v a nt a g e of t h e cl o s e li n k s b et w e e n n at ur al a n d e n gi n e er e d s y st e m s – a u ni q u e o p p ort u nit y wit hi n T 8 – c o m p ari n g m o d er n g e ot h er- m al s y st e m s a n d t h eir a n ci e nt a n al o g s t o i nf or m t h e d e v el o p m e nt of n e w, m or e s u st ai n a bl e e x pl or ati o n a n d e x pl oit ati o n str at e gi e s. It will e x pl or e c o m pl e x i nt er a cti o n s b et w e e n t h e g e o s p h er e, bi o s p h er e, h y dr o s p h er e, a n d at m o s p h er e t h at d et er mi n e t h e o c c urr e n c e a n d di stri b uti o n of r e s o ur c e s a n d e n er g y a s w ell a s t h e e n - vir o n m e nt al i m p a ct s a s s o ci at e d wit h t h eir d e v el o p m e nt o n a r a pi dl y c h a n gi n g E art h. T hi s r e s e ar c h r e q uir e s c o m pr e h e n si v e o b s er v ati o n al a p pr o a c h e s t h at i n cl u d e n ot o nl y t h e dir e ct d et e cti o n of r e s o ur c e s, b ut al s o d at a i nt e gr ati o n a n d a n al yti c s, c o m pl e x ti m e- s eri e s st u di e s, a n d str o n g er li n k s b et w e e n fi el d o b s er v ati o n, u s e of n at ur al l a b or at ori e s, e x p eri m e nt ati o n, a n d m o d eli n g w or k fi o w s. Str at e gi c g ui d eli n e s ( F o P o Z). T 8 i s t h e e s s e nti al p art of t h e Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h’ t h at t a c kl e s t h e i n - cr e a si n g u s e of u n d er gr o u n d g e o s y st e m s, d e v el o p m e nt of c o n c e pt s f or t h e e x pl or ati o n of pri m ar y r a w m at e - ri al s, a n d a s s e s si n g t h e p ot e nti al of m ari n e g e or e s o ur c e s a n d it dir e ctl y a d dr e s s e s t h e r e s e ar c h p oli c y g o al s of H el m h oltz a n d t h e B M B F fr a m e w or k ‘ R e s e ar c h f or S u st ai n a bl e D e v el o p m e nt ( F O N A 3)’ a n d t h e G E O: N a n d M A R E: N i niti ati v e s. J oi nt e x p erti s e i n d e e p cr u st al pr o c e s s e s a n d g e ot h er m al e n er g y will b e a p pli e d t o t h e pr o b - l e m s of s u p pl yi n g cl e a n a n d r eli a bl e t h er m al e n er g y t o c o n s u m er s at t h e p oi nt of u s e, e. g., i n ur b a n c e nt er s. W e will m ai nt ai n a n d d e v el o p o ut st a n di n g r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e ( u n d er gr o u n d l a b s, d e e p e x pl or ati o n a n d s u b s urf a c e m o nit ori n g t e c h n ol o gi e s). T 8 r e s e ar c h er s will c o nti n u e, a n d e x p a n d, t h eir l e a d er s hi p r ol e s i n i nt er - n ati o n al n et w or k s a n d o ur i nfr a str u ct ur e s will attr a ct e xt er n al r e s e ar c h er s a n d i n d u stri al c oll a b or at or s, t h er e b y tr a n sf erri n g criti c al k n o wl e d g e t o st a k e h ol d er s. T hi s a p pr o a c h will f a cilit at e p oli c y m a k er s i n s ci e n c e- b a s e d d e ci si o n s a b o ut f ut ur e r e s o ur c e utiliz ati o n a n d m a n a g e m e nt. A m o n g t h e T o pi c o ut c o m e s will b e g e ot h er m al e n er g y d e v el o p m e nt, mi n er al e x pl or ati o n f or d e e p ‘ bli n d’ d e p o sit s, a n d b e st- pr a cti c e g ui d eli n e s a p pli c a bl e t o E x p a n di n g Ec o n o mi es D eep U�liza T o pi c 8 � o n lopm e n t e v e D p e e D G e or es o ur c es f or t h e E n er g y Tr a nsi � o n & Hi g h- T e c h S o ci et y D e e p S t o rage D e n o � a r o e p M M s l a l p y i r g x e r E t e a n M e p o w e e e a G D R & onitorin g anagem e n t & R e c y c g n l i N u cl e ar W ast e Fi g. 8. 1 s h o w s t h e v al u e c h ai n of G e o e n er g y ( bl u e) a n d R a w M at eri al s ( gr e e n) s y st e m s. T h e l o o p f or R a w M at eri al s c a n n ot b e cl o s e d d u e t o i n - cr e a si n g d e m a n d, a n d n u cl e ar w a st e c a n n ot c urr e ntl y b e r e u s e d. T h e ff el d s i n gr e y r e pr e s e nt li n k e d r e s e ar c h c ar- ri e d o ut i n ot h er R e s e ar c h Fi el d s e. g. R F E n er g y. 2 1 4 Ali S H, Gi ur c o D, Ar n dt N, et al. 2 0 1 7. Mi n er al s u p pl y f or s u st ai n a bl e d e v el o p m e nt r e q uir e s r e s o ur c e g o v er n a n c e. N at ur e. 5 4 3: 3 6 7 – 3 7 2. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 0 9

T o pi c 8: G e or e s o ur c e s f or t h e E n er g y Tr a n siti o n a n d a Hi g h- T e c h S o ci et y C) Str u ct ur e of t h e T o pi c a n d m oti v ati o n of S u bt o pi c s I ntr o d u cti o n of S u bt o pi c s. R e s e ar c h er s fr o m G F Z, U F Z a n d G E O M A R will a d dr e s s h o w t h e d e e p s u b s urf a c e a n d o c e a n s c a n b e utiliz e d t o pr o vi d e e n er g y, mi n er al r e s o ur c e s, a n d s af e m at eri al st or a g e i n t h e fr a m e w or k of t hr e e S u bt o pi c s. T h e s e S u bt o pi c s will f o c u s o n t h e d e v el o p m e nt of c o m pr e h e n si v e m o d el s of k e y g e o e n er g y ( S T 8. 1 G e o e n er g y) a n d mi n er al s y st e m s ( S T 8. 2 R a w M at eri al s) a n d h o w t h e y c a n b e st b e utiliz e d, i n cl u di n g; t h e s o ur c e s, si n k s a n d tr a n s p ort p at h w a y s f or m at eri al a n d e n er g y fi o w s; q u a nti fi c ati o n of n at ur al a n d a nt hr o p o - g e ni c v ari ati o n s i n t h e s y st e m s; a n d n e w l a b or at or y a n al y s e s a n d e x p eri m e nt al c o n str ai nt s o n t h e pr o c e s s e s t h at g o v er n t h e di stri b uti o n a n d q u alit y of r e s o ur c e s i n t h e d e e p cr u st. A t hir d S u bt o pi c, S T 8. 3 I nt e gr ati n g G e o e n er g y a n d Mi n er al S y st e m s, will e x pl or e t h e m a n y li n k a g e s b et w e e n G e o e n er g y a n d R a w M at eri al s s y st e m s i n t er m s of: i) t h e l ar g e- s c al e g e o d y n a mi c c o ntr ol s o n e n er g y a n d m a s s tr a n sf er, ii) t h e u ni q u e p h y si c al, c h e mi c al, a n d bi ol o gi c al c o n diti o n s a n d pr o c e s s i nt er a cti o n s t h at l e a d t o t h e f or m ati o n a n d tr a n sf or m ati o n of e n er g y a n d mi n er al r e s o ur c e s at d e pt h, a n d iii) t h e t e c h n ol o gi c al m e a n s t o d et e ct, m o nit or, a n d pr e di ct t h e o ut c o m e of t h o s e pr o c e s s e s ( Fi g. 8. 2). T h e criti c al a d v a n c e i n P o F I V will b e n e w 4 D E art h m o d eli n g 2 1 5 of e n er g y a n d mi n er al s y st e m s, w hi c h li n k s n e ar- s urf a c e o b s er v ati o n s t o t h e d e e p er s u b s urf a c e at a r a n g e of s c al e s, fr o m g e o c h e mi c al tr a c er s of fr a c - t ur e-r el at e d fi ui d ff o w t o r e gi o n al g e o d y n a mi c c o ntr ol s. T hi s t y p e of i nt e gr ati o n of g e o m e c h a ni c al, g e o c h e mi c al, a n d g e o p h y si c al d at a t o m o d el b a si n a n d r e s er v oir c o n diti o n s r e v ol uti o niz e d t h e p etr ol e u m i n d u str y i n t h e l a st d e c a d e. T h e i nt e gr ati v e E art h m o d eli n g r e s e ar c h i n T 8, t o g et h er wit h n e w a p pr o a c h e s t o d at a s ci e n c e i n t h e H el m h oltz A s s o ci ati o n, h ol d s t h e p ot e nti al t o si mil arl y r e v ol uti o niz e t h e r el at e d fi el d s of g e ot h er m al e n er g y, s u b s urf a c e st or a g e, a n d mi n er al s y st e m s. Fi g. 8. 2 s h o w s t h e r el ati o n s hi p of t h e t hr e e S u bt o pi c s. 2 1 5 * Bl ö c h er G, C a c a c e M, R ei n s c h T, W at a n a b e, N. 2 0 1 5. E v al u ati o n of t hr e e e x pl oit ati o n c o n c e pt s f or a d e e p g e ot h er m al s y st e m i n t h e N ort h G er m a n B a si n. C o m p ut er s a n d G e o s ci e n c e s. 8 2: 1 2 0 – 1 2 9. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 1 1

T o pi c 8: G e or e s o ur c e s f or t h e E n er g y Tr a n siti o n a n d a Hi g h- T e c h S o ci et y G e ot h er m al e n er g y i s a n i m p ort a nt d o m e sti c s o ur c e f or t h e f ut ur e e n er g y mi x. S T 8. 1 will a s s e s s g e ot h er m al r e s o ur c e s i n t h e N ort h G er m a n B a si n, wit h a f o c u s o n a p pli c ati o n t o ur b a n ar e a s. O ur g o al i s t o g o b e y o n d t h e c urr e nt st at e- of-t h e- art s h all o w l e v el e x pl oit ati o n, a n d t o d e v el o p str at e gi e s f or d e e p h e at st or a g e a n d dir e ct h e at s u p pl y. T hi s i n cl u d e s t h e c h ar a ct eriz ati o n a n d c o n c e pt s f or s u p er h ot g e ot h er m al s o ur c e s at t h e r o ot s of m a g m ati c s y st e m s, a s c urr e ntl y d e v el o p e d f or t h e R e y kj a ví k m etr o p olit a n r e gi o n i n I c el a n d. W e will pr o vi d e s ol uti o n s f or b ottl e n e c k s al o n g t h e d e v el o p m e nt c h ai n of g e ot h er m al pl a nt s i n i nt er m e di at e, d e e p, a n d s u p er- h ot e n vir o n m e nt s. F or e x a m pl e, h y dr a uli c sti m ul ati o n of utiliz e d r e s er v oir s b e ar s t h e p ot e nti al ri s k of i n d u c e d s ei s mi cit y, w hi c h n e e d s t o b e c o ntr oll e d or a v oi d e d. T h e ai m of t h e s e e fi ort s i s t o d et er mi n e s y st e m i nt er- d e p e n d e n ci e s t o r e d u c e t h e o v er all i m p a ct s of e x pl or ati o n a n d e x pl oit ati o n, a n d i m pr o v e t h e m ar k et p e n etr a - ti o n of g e ot h er m al e n er g y. S u b s urf a c e st or a g e will b e i n cr e a si n gl y i m p ort a nt i n r e n e w a bl e e n er g y s y st e m s wit h fi u ct u ati n g s u p pl y, w hi c h r e q uir e st or a g e of l ar g e q u a ntiti e s of e n er g y ( h u n dr e d s of T W h). A v ari et y of e fi ci e nt a n d s u st ai n a bl e g e o s ci e n c e s ol uti o n s ar e n e e d e d t o c a pt ur e e x c e s s e n er g y fr o m r e n e w a bl e s o ur c e s a n d tr a n sf or m it i nt o st or - a bl e ff ui d s. T h e gr e at e st p ot e nti al e xi st s i n t h e hi g h- e n er g y d e n sit y f or m of ‘r e n e w a bl e’ h y dr o g e n, a n d m et h a n e s y nt h e siz e d fr o m it, w hi c h c a n b e st or e d at d e pt h. T h e s u b s urf a c e i s al s o p ot e nti all y a r eli a bl e a n d s af e r e p o s - it or y f or h e at- g e n er ati n g r a di o a cti v e w a st e. S af e st or a g e o v er ti m e s c al e s of h u n dr e d s of t h o u s a n d s of y e ar s r e q uir e s n e w pr o c e s s u n d er st a n di n g, e x p eri m e nt al c o n c e pt s, a n d si m ul ati o n t o ol s f or di fi er e nt r e p o sit or y e v ol uti o n s c e n ari o s i n di fi er e nt h o st r o c k s. A cl e a n er, m or e e fi ci e nt u s e of c ar b o n r e s o ur c e s will b e n e c e s s ar y d uri n g t h e e n er g y tr a n siti o n fr o m n u cl e ar p o w er a n d c o al t o r e n e w a bl e e n er gi e s, a n d r e s e ar c h i n S T 8. 1 will f o c u s o n i m pr o vi n g t h e pr o d u cti o n e fi ci e n - c y fr o m c o n v e nti o n al a n d u n c o n v e nti o n al s y st e m s. T hi s will b e a c hi e v e d b y d et er mi ni n g t h e c o ntr ol s o n fl ui d p artiti o ni n g a n d t h e p h y si c al pr o p erti e s of p etr ol e u m, w hi c h i n ff u e n c e tr a n s p ort, a c c u m ul ati o n, s e e p a g e a n d e xtr a cti o n i n t h e s u b s urf a c e. T hi s w or k will al s o i n cl u d e r e s e ar c h o n g a s h y dr at e s, a p ot e nti al s o ur c e of n at ur al g a s. It will al s o f o c u s o n t h e g e o m e c h a ni c al a n d p h y si c al pr o p erti e s of h y dr at e- b e ari n g s e di m e nt s, a ri s k f or sl o p e st a bilit y, w hi c h li n k s t o r e s e ar c h i n T 3. W or k pr o gr a m. O ur o bj e cti v e s ar e t o d e v el o p q u a ntit ati v e 4 D m o d el s of t h e p h y si c al M ai n o bj e cti v e s a n d pr o p erti e s a n d pr o c e s s e s of b ot h n at ur al a n d e n gi n e er e d s y st e m s t h at will all o w o pti m al d e si g n f or e n er g y pr o vi si o n a n d st or a g e i n t h e d e e p u n d er gr o u n d. T h e e m p h a si s of t h e w or k pr o gr a m will b e o n t h e c h all e n g e s a n d o p p ort u niti e s i n s e c uri n g a r eli a bl e, e c o n o mi c all y e fi ci e nt, a n d e n vir o n m e nt all y fri e n dl y e n er g y mi x t o s u p p ort t h e e n er g y tr a n siti o n. Fi g. 8. 3: C o n c e pt u al u s e of t h e s u b s urf a c e i n T o pi c 8. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 1 3

T o pi c 8: G e or e s o ur c e s f or t h e E n er g y Tr a n siti o n a n d a Hi g h- T e c h S o ci et y st or a g e s c e n ari o s f or e x c e s s r e n e w a bl e e n er g y i n t h e N ort h G er m a n B a si n. M 8. 2- 2 ( 2 0 2 4): D e v el o p a c o n c e pt f or w a st e st or a g e a n d a c o m bi n e d st or a g e a n d u s a g e o pti o n f or fi ui d s. M 8. 2- 3 ( 2 0 2 6): I m pl e m e nt u n d er gr o u n d st or a g e i n cl u di n g i nt e gr ati o n of r e c o v er e d li q ui d s a n d / or g a s i nt o a n e xi sti n g di stri b uti o n i nfr a str u ct ur e. M 8. 2- 4 ( 2 0 2 6): E v al u at e l o n g-t er m s af et y i s s u e s of n u cl e ar w a st e di s p o s al i n cl a y, cr y st alli n e u nit s or r o c k s alt. C ar b o n R e s o ur c e s. T o s u p p ort t h e E n er g y Tr a n siti o n, o ur r e s e ar c h i n h y dr o c ar b o n s will f o c u s o n i m pr o vi n g t h e e fi ci e n c y of pr o d u cti o n a n d r e s er v oir m a n a g e m e nt. Wit hi n o ur h y dr o c ar b o n a n d g a s h y dr at e r e s e ar c h, t h e i nt er a cti o n pr o c e s s e s of d e e p or g a ni c fi ui d s or h y dr at e p h a s e s wit h t h e h o st r o c k m atri x, f or m ati o n w at er s, a n d mi cr o bi al c o m m u niti e s ar e of c e ntr al i nt er e st. W e will al s o d et er mi n e t h e m ol e c ul ar c o m p o siti o n s of t h e d e e p or g a ni c ff ui d s, i n cl u di n g p ol ar c o m p o u n d s, a n d li n k t h o s e wit h t h eir p h y si c al pr o p erti e s a n d fi ui d d y n a mi c s, w hi c h ar e cr u ci al f or e fi ci e nt e x pl oit ati o n a n d m a n a g e m e nt c o n c e pt s i n cl u di n g mi ni mizi n g e n vir o n m e nt al i m p a ct s. D 8. 3 ( 2 0 2 7): I m pr o v e t h e e fi ci e n c y of e x pl oit ati o n str at e gi e s b y q u a ntif yi n g h y dr o c ar b o n fi ui d s a n d g a s h y- dr at e s pr o p erti e s fr o m t h eir m ol e c ul ar c o m p o siti o n s. M 8. 3- 1 ( 2 0 2 4): A s s e s s a n d q u a ntif y t h e i m p a ct of fl u - i d-r o c k, or g a ni c-i n or g a ni c, a n d mi cr o bi al i nt er a cti o n s o n t h e c o m p o siti o n of h y dr o c ar b o n s. M 8. 3- 2 ( 2 0 2 4): D et er mi n e t h e g e o- m e c h a ni c al pr o p erti e s a n d s ei s mi c w a v e v el o citi e s of g a s h y dr at e- b e ari n g s e di m e nt s (li n k t o T 3). M 8. 3- 3 ( 2 0 2 7): G e n er at e m o d el s pr e di cti n g h y dr o c ar b o n ff ui d a n d g a s h y dr at e pr o p erti e s b a s e d o n c o m p o siti o n al m ol e c ul ar p ar a m et er s. S u bt o pi c 8. 2 R a w M at eri al s S ar a h A. Gl e e s o n, G F Z; M ar k H a n ni n gt o n, G E O M A R S c o p e a n d c h all e n g e s. N e w s o ur c e s of m et al s f or t h e e n er g y tr a n siti o n a n d hi g h-t e c h s o ci et y ar e r e q uir e d f or t h e d e v el o p m e nt of m et al-i nt e n si v e ‘ gr e e n t e c h n ol o gi e s’ a n d t o s u p p ort o ur gr o wi n g e n er g y i nfr a str u ct ur e. T h e m aj or c o m m o diti e s t h at will dri v e t h e e n er g y tr a n siti o n ar e t h e str at e gi c ( e. g., C u, Z n) a n d criti c al m et al s ( e. g., R ar e E art h El e m e nt s ( R E E), W, C o). T o a d dr e s s t h e d e m a n d f or t h e s e m et al s, r e s e ar c h m u st b e f o c u s e d o n i d e ntif yi n g r e s o ur c e s t h at c a n m a k e a s u b st a nti v e c o ntri b uti o n t o s u p pl y. T o e n s ur e l o n g-t er m r e s o ur c e s e c urit y, t h o s e r e s o ur c e s m u st b e f o u n d b ef or e t h e y ar e n e e d e d ( e. g., a v oi di n g s u c h e v e nt s a s t h e R E E cri si s of 2 0 1 0). T h e l o n g l e a d ti m e s f or s u st ai n a bl e r e s o ur c e d e v el o p m e nt m u st b e eli mi n at e d, a n d u n c o n v e nti o n al r e s o ur c e s t h at h a v e t h e p ot e nti al t o h a v e a v er y l ar g e i m p a ct o n s u p pl y ( e. g., bl a c k s h al e- h o st e d d e p o sit s or p h o s p h orit e s) s h o ul d b e i d e nti fi e d. U nl o c ki n g t h e E art h’ s d e e p a n d u n c o n v e nti o n al r e s o ur c e s h a s t h e p ot e n - ti al t o dr a m ati c all y i n cr e a s e gl o b al r a w m at eri al s e c urit y. O n l a n d, t h e c h all e n g e i s t o di s c o v er d e e pl y- b uri e d, hi g h- v al u e mi n er al r e s o ur c e s o n w hi c h f ut ur e s u p pl y s e c urit y will d e p e n d. I n t h e o c e a n s, t h e c h all e n g e i s t o e st a bli s h w h at s e a ff o or r e s o ur c e s ( s ul fl d e s, M n- n o d ul e s) c a n r e ali sti c all y c o ntri b ut e t o gl o b al m et al s u p pl y, t a ki n g i nt o a c c o u nt t h e p ot e nti al i m p a ct o n t h e e n vir o n m e nt if t h e y ar e d e v el o p e d (li n k s t o T 5 a n d T 6). M ai n o bj e cti v e s a n d W or k pr o gr a m. O ur m aj or t a s k i s t o i d e ntif y a n d c h ar a ct eriz e t h e l ar g e mi n er al s y st e m s t h at will h a v e t h e gr e at e st i m p a ct o n o ur f ut ur e a n d t o g e n er at e t h e f u n d a m e nt al d at a f or t ar g eti n g t h o s e hi g h- v al u e d e p o sit s at d e pt h. T h e m ai n f o c u s i s t o i d e ntif y t h e c o n diti o n s t h at m a xi miz e m et al fi u x e s i n di fi er e nt mi n er al s y st e m s a n d t h er e b y c o ntri b ut e t o t h e f or m ati o n of t h e l ar g e st d e p o sit s. W e will b uil d t h e n e xt g e n er a - ti o n of mi n er al s y st e m m o d el s i n c or p or ati n g n e w p h y si c al-, c h e mi c al-, a n d t h er m al c o ntr ol s o n m et al s o ur c e s, si n k s a n d tr a n s p ort p at h w a y s, t a ki n g i nt o a c c o u nt t h e r e gi o n al s p a c e /ti m e v ari ati o n s i m p o s e d b y di fi er e nt g e o d y n a mi c s etti n g s a n d pl a ci n g n e w c o n str ai nt s o n t h e pr o c e s s e s t h at g o v er n r e s o ur c e di stri b uti o n. W e will f o c u s o n t hr e e br o a d gr o u p s of d e p o sit s t h at ar e li k el y t o c o nt ai n t h e v a st m aj orit y of t o m orr o w’ s str at e gi c a n d criti c al mi n er al r e s o ur c e s. T h e s e i n cl u d e m a g m ati c d e p o sit s i n i ntr u si v e c o m pl e x e s, m a g m ati c- h y dr ot h er m al d e p o sit s i n c o nti n e nt al m ar gi n s etti n g s, a n d m a s si v e s ul fi d e d e p o sit s h o st e d b y v ol c a ni c a n d s e di m e nt ar y r o c k s i n s e di m e nt ar y b a si n s a n d o n t h e s e a fi o or ( Fi g. 8. 4). A k e y a s p e ct of t h e r e s e ar c h will b e dir e ct c o m p ari s o n s wit h n at ur al a n d e n gi n e er e d g e ot h er m al s y st e m s a n d t h eir d eri v e d m o d el s a n d e x p eri m e nt al r e s ult s i n S T 8. 1. M a g m ati c d e p o sit s r el at e d t o m a fi c- ultr a m a fi c, al k ali c- c ar b o n atiti c a n d f el si c- p e g m atiti c i ntr u si o n s pr o vi d e m u c h of t h e w orl d’ s Cr- Ni- P G E ( pl ati n u m- gr o u p el e m e nt s), R E E, a n d Li- N b- T a s u p pli e s. T h e di fi er e nt m et al a s - s o ci ati o n s r el at e t o t h e t y p e of m a g m a ( s o ur c e), b ut w e h a v e n o crit eri a t o di sti n g ui s h b arr e n fr o m mi n er aliz e d i ntr u si o n s b e c a u s e t h e m et al e nri c h m e nt pr o c e s s e s ar e p o orl y k n o w n ( e. g., m elt f or m ati o n a n d s e gr e g ati o n, li q ui d i m mi s ci bilit y a n d v ol atil e s at ur ati o n v s. cr y st alliz ati o n). R e s e ar c h i n S T 8. 2 will c o m bi n e g e o c h e mi c al / Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 1 5

T o pi c 8: G e or e s o ur c e s f or t h e E n er g y Tr a n siti o n a n d a Hi g h- T e c h S o ci et y • D 8. 4 ( 2 0 2 7): B uil d c o m pr e h e n si v e n e w mi n er al s y st e m s m o d el s f or criti c al a n d str at e gi c m et al s o n l a n d a n d i n t h e o c e a n s. M 8. 4- 1 ( 2 0 2 3): Q u a ntif y t h e c o n c e ntr ati o n a n d di stri b uti o n of m et al s i n t h e cr u st a n d i d e ntif y t h eir s o ur c e s a n d tr a n s p ort p at h w a y s. M 8. 4- 2 ( 2 0 2 4): Q u a ntif y t h e c o ntr ol s o n criti c al a n d str at e gi c m et al s di stri b uti o n i n t er m s of m a g m ati c, h y dr ot h er m al, or bi ol o gi c al pr o c e s s e s. M 8. 4- 3 ( 2 0 2 6): D e si g n n e w l a b or at or y a n al y s e s a n d e x p eri m e nt s t o pl a c e c o n str ai nt s o n m et al m o biliz ati o n, tr a n s p ort, a n d d e p o siti o n t o v erif y t h e s y st e m m o d el s. S u bt o pi c 8. 3 I nt e gr ati n g G e o e n er g y a n d Mi n er al S y st e m s M ar k H a n ni n gt o n, G E O M A R; M a g d al e n a S c h e c k- W e n d er ot h, G F Z S c o p e a n d c h all e n g e of t h e S u bt o pi c. Str o n g s y n er gi e s e xi st b et w e e n t h e S T 8. 1 G e o e n er g y a n d S T 8. 2 R a w M at eri al s b e c a u s e e s s e nti all y t h e s a m e pr o c e s s e s a n d i nt er a cti o n s c o ntr ol t h e di stri b uti o n of e n er g y a n d m et al r e s o ur c e s i n t h e E art h s y st e m a n d b e c a u s e t h e r e s e ar c h a p pr o a c h e s i n b ot h fi el d s ar e hi g hl y c o m pl e m e nt ar y ( Fi g. 8. 5). F or e x a m pl e, g e ot h er m al e n er g y i nfr a str u ct ur e pr o vi d e s s a m pl e s of d e e p h y dr ot h er m al fi ui d s2 2 3 t h at ar e dir e ct a n al o g s f or or e-f or mi n g fi ui d s i n a n ci e nt m a g m ati c a n d h y dr ot h er m al s y st e m s. A n ci e nt or e-f or mi n g s y st e m s r e c or d t h e l o n g-t er m e ff e ct s of fi ui d-r o c k i nt er a cti o n, w hi c h pr o vi d e i m p ort a nt c o n str ai nt s o n a s p e ct s of g e ot h er m al e n er g y pr o d u cti o n ( e. g., s c ali n g i n g e ot h er m al w ell s) a n d t h e s e ar c h f or s af e, l o n g-t er m r e p o si - t ori e s f or e n er g y or r a di o a cti v e w a st e ( e. g., d e v el o p m e nt of fr a ct ur e d r e s er v oir s). W e h a v e i d e nti fi e d t hr e e k e y ar e a s w h er e i nt e gr ati o n of r e s e ar c h i n S T 8. 1 a n d S T 8. 2 h a s t h e p ot e nti al t o m a k e si g ni fi c a nt c o ntri b uti o n s t o b ot h fi el d s: i) i d e ntif yi n g g e o d y n a mi c a n d str u ct ur al c o ntr ol s o n t h e di stri b uti o n of e n er g y a n d r a w m at eri al s i n t h e cr u st, i n cl u di n g n at ur al v ari ati o n s o n g e ol o gi c al ti m e s c al e s, ii) i d e ntif yi n g t h e u ni q u e c o m bi n ati o n s of p h y si c al, c h e mi c al, a n d bi ol o gi c al pr o c e s s e s t h at c o ntr ol t h e f or m ati o n of b ot h e n er g y a n d r a w m at eri al s, a n d iii) d e v el o pi n g n e xt- g e n er ati o n t e c h n ol o gi e s f or t h e d et e cti o n, d eli n e ati o n a n d m o nit or - i n g of t h o s e r e s o ur c e s ( Fi g. 8. 5). M ai n o bj e cti v e s a n d W or k pr o gr a m. G e o d y n a mi c Dri v er s of E n er g y a n d Mi n er al S y st e m s. T h e m aj or dri v er of e n er g y a n d m a s s tr a n sf er i n t h e E art h’ s cr u st i s pl at e t e ct o ni c s. S T 8. 3 will e x pl or e t h e s e r e gi o n al- s c al e c o ntr ol s o n g e or e s o ur c e di stri b uti o n, b a s e d o n st u di e s of t h e g e o d y n a mi c s etti n g s of di fl er e nt e n er g y a n d mi n er al s y st e m s i n a 4 D fr a m e w or k (li n k s t o T 3). N e w r e s e ar c h will i n cl u d e g e o p h y si c al i m a gi n g e x p eri m e nt s t o i d e ntif y cr u st al ar c hit e ct ur e a n d f a ult s y st e m s 2 2 4 t h at c o ntr ol m elt a n d ff ui d p at h w a y s a n d t h er e b y pr o vi d e a fr a m e w or k f or i nt e gr ati n g pl at e- b o u n d- ar y pr o c e s s e s ( m a g m ati s m, d ef or m ati o n, u plift a n d s e di m e nt ati o n) i nt o mi n er al a n d e n er g y s y st e m m o d el s. E x a m pl e s w h er e t hi s r e s e ar c h c a n b e c o m bi n e d t o i n cl u d e g e ot h er m al e n er g y, st or a g e p ot e nti al, c ar b o n r e s o ur c e s a n d a cti v e m et al- d e p o siti n g h y dr ot h er m al s y st e m s ar e f o u n d: i) i n t h e i ntr a c o nti n e nt al b a si n s of N ort h- C e ntr al E ur o p e, ii) i n t h e f or el a n d b a si n s of t h e A n d e s a n d Al p s, iii) i n y o u n g rift s y st e m s i n E ur o p e a n d E a st Afri c a, i v) m ar gi n al b a si n s of t h e w e st er n P a ci fi c, a n d v) i n l ar g e i g n e o u s pr o vi n c e s s u c h a s i n S o ut h Afri c a a n d E a st Gr e e nl a n d /I c el a n d. F or e x a m pl e, t h e c a p a cit y of l ar g e- s c al e s e di m e nt ar y b a si n s f or or e f or m ati o n, g e ot h er m al e n er g y, a n d st or a g e of mi n er al a n d e n er g y w a st e s i s dir e ctl y li n k e d t o t h eir g e o d y n a mi c hi st or y, i n cl u di n g f ar- ff el d a n d n e ar- fl el d str e s s e s, t h er m al r e gi m e s, a n d t h e d e v el o p m e nt of h et er o g e n e o u s p h y si c al r o c k pr o p erti e s. T o q u a ntif y t h e s e a s p e ct s r e q uir e s n e w e fi ort s t o d et er mi n e t h e p h y si c al pr o p erti e s of t h e r o c k s, mi n er al s, a n d fi ui d s a n d t h eir r e s p o n s e s t o l o n g-t er m ( g e ol o gi c al) a n d s h ort er-t er m ( p artl y i n d u c e d) str e s s e s. T h e s e d at a ar e al s o criti c al f or a s s e s si n g p ot e nti al ri s k s i n di fi er e nt s y st e m s, e. g., i n d u c e d s ei s mi cit y i n r e s p o n s e t o r e s er v oir utiliz ati o n,2 2 5 t h er m al v ari ati o n, a n d t h e l o n g-t er m st a bilit y of r e p o sit ori e s f or n u cl e ar w a st e. I n g e ot h er m al s y st e m s, f or e x a m pl e, a m aj or f o c u s i s t o s u p p ort d e v el o p m e nt of miti g ati o n str at e gi e s f or h az ar d s c a u s e d b y a nt hr o p o g e ni c str e s s a n d t h er m al c h a n g e s (li n k t o T 3 a n d R F E n er g y). 2 2 3 * H a n ni n gt o n M, H ar d ar d ottir V, G ar b e- S c h o n b er g D, Br o w n K. 2 0 1 6. G ol d e nri c h m e nt i n a cti v e g e ot h er m al s y st e m s b y a c c u m ul ati n g c oll oi d al s u s p e n si o n s. N at ur e G e o s ci e n c e. 9( 4): 2 9 9 – 3 0 2. 2 2 4 * G e er s e n J., et al. 2 0 1 8. Acti v e t e ct o ni c s of t h e N ort h C hil e a n m ari n e f or e ar c a n d a dj a c e nt o c e a ni c N az c a Pl at e. T e ct o ni c s. 3 7: 4 1 9 4 – 4 2 1 1. 2 2 5 * K wi at e k G, S a ar n o T, et al. 2 0 1 9. C o ntr olli n g fi ui d-i n d u c e d s ei s mi cit y d uri n g a 6. 1 k m d e e p g e ot h er m al sti m ul ati o n i n Fi nl a n d. S ci- e n c e A d v a n c e s. ( 5) 5: e a a v 7 2 2 4. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 1 7

T o pi c 8: G e or e s o ur c e s f or t h e E n er g y Tr a n siti o n a n d a Hi g h- T e c h S o ci et y • D 8. 5 ( 2 0 2 7): E st a bli s h i nt e gr at e d m o d eli n g of e n er g y a n d mi n er al s y st e m s f or c o m pr e h e n si v e g e or e - s o ur c e s m a n a g e m e nt a n d a p pli c ati o n s. M 8. 5- 1 ( 2 0 2 4): Ti e r e gi o n al g e o d y n a mi c s t o mi n er al a n d e n er g y s y st e m s i n a 4 D fr a m e w or k (li n k t o T 3). M 8. 5- 2 ( 2 0 2 4): D et er mi n e p h y si c al pr o p erti e s of r o c k s, mi n er al s, a n d fi ui d s a n d t h eir r e s p o n s e t o g e ol o gi c al a n d a nt hr o p o g e ni c str e s s c h a n g e s. M 8. 5- 3 ( 2 0 2 6): D e v el o p str at e gi e s f or mi ni mizi n g e x pl or ati o n or pr o d u cti o n-i n d u c e d h az ar d s, i n cl u di n g str e s s- a n d t h er m al c h a n g - e s (li n k t o T 3 a n d R F E n er g y). M 8. 5- 4 ( 2 0 2 6): I nt e gr at e c o u pl e d pr o c e s s e s of fi ui d-r o c k i nt er a cti o n, i n - cl u di n g t h o s e r el at e d t o t h e d e e p bi o s p h er e, i nt o m o d el s f or g e o e n er g y, s u b s urf a c e st or a g e, a n d mi n er al s y st e m s. M 8. 5- 5 ( 2 0 2 7): B uil d a n o p e n, m o d ul ar si m ul ati o n fr a m e w or k c a p a bl e of a d dr e s si n g t h e c o m - pl e xit y of c o u pl e d i nt er a cti o n s a m o n g t h e p h y si c al, c h e mi c al, a n d mi cr o bi ol o gi c al c o m p o n e nt s of e n er g y a n d mi n er al s y st e m s. A d v a n c e d T e c h n ol o gi e s f or A n al y si s a n d Di s c o v er y. I n t h e n e xt d e c a d e, r e s o ur c e di s c o v er y a n d utiliz ati o n at d e pt h will r e q uir e n e w, s o p hi sti c at e d, t e c h n ol o gi e s a n d i n str u m e nt s t o e xtr a ct m a xi m u m v al u e fr o m t h e r e - s o ur c e s a n d t o s af e g u ar d a g ai n st t h e n e g ati v e i m p a ct s of e x pl oit ati o n. I n S T 8. 3, w e will a d v a n c e t e c h n ol o gi c al a p pli c ati o n s o n s e v er al fr o nt s. F or e x a m pl e, fi b er- o pti c di stri b ut e d a c o u sti c s e n si n g ( D A S), w hi c h w a s r e c e ntl y d e v el o p e d f or r e al-ti m e m o nit ori n g d uri n g g e ot h er m al w ell c o n str u cti o n, i nj e cti o n, a n d pr o d u cti o n, a s w ell a s f or i m a gi n g t h e s h all o w s u b s urf a c e,2 2 8 will b e f urt h er d e v el o p e d f or n e w a p pli c ati o n s i n g e ot h er m al e x pl or ati o n a n d m o nit ori n g of t h e ur b a n u n d er gr o u n d. W e will al s o t e st t h e a p pli c ati o n of t hi s t e c h n ol o g y i n g e o d y n a mi c s r e s e ar c h, mi n er al e x pl or ati o n, a n d i n d e v el o p m e nt a n d m o nit ori n g of n u cl e ar w a st e r e p o sit ori e s (li n k t o T 3 a n d C A R F N u cl e ar R e p o sit or y R e s e ar c h). G E O M A R a n d G F Z will j oi ntl y d e v el o p m ulti- p ar a m et er s e n s or s y st e m s ( s ei s mi c, m a g n et ot ell uri c, g e o c h e mi c al) f or e x pl or ati o n, a s s e s s m e nt, a n d m o nit ori n g of d e e p g e ot h er m al a n d mi n er al r e s o ur c e s i n di ff er e nt g e ol o gi c al s etti n g s a n d lit h ol o gi e s. T hi s i n cl u d e s d e v el o pi n g a c o m pr e h e n si v e m et h o d f or c or e-l o g s ei s mi c i nt e gr ati o n (li n k t o T 3). W e will c o nti n u e t o d e v el o p, s e a fi o or o b s er v ati o n pl at - f or m s f or u s e i n i nt e gr at e d st u d y sit e s, i n cl u di n g o c e a n fi o or g e o p h y si c al o b s er v at ori e s f or t h e d et e cti o n of c o n c e al e d s e a fi o or m a s si v e s ul fi d e d e p o sit s. 2 2 9 A d v a n c e d t e c h n ol o gi e s f or t e sti n g i n a n al yti c al a n d e x p eri m e nt al l a b or at ori e s o n- sit e a n d i n t h e fl el d will b e c or e el e m e nt s of S T 8. 3 ( s e e i nfr a str u ct ur e s e cti o n b el o w). T h e c a p a bilit y a n d e x p erti s e i n g e ol o gi c al, mi n er - al o gi c al a n d g e o c h e mi c al a n al y si s e xt e n d s fr o m t h e n a n o s c al e t o e ntir e g e o e n er g y a n d mi n er al s y st e m s, a n d i n v ol v e s b ot h e m piri c al ff el d a n d l a b or at or y st u di e s a s w ell a s e xt e n si v e e x p eri m e nt ati o n wit h m o d el s y st e m s t h at c a n al s o si m ul at e t h e d o w n str e a m i m p a ct s of r e s o ur c e utiliz ati o n, ( e. g., t h e L ar g e S c al e R e s er v oir Si m - ul at or at G F Z a n d u ni q u e hi g h- pr e s s ur e fi o w-t hr o u g h r e a ct or s at G E O M A R). A p arti c ul ar str e n gt h of t h e U F Z- G E O M A R- G F Z c oll a b or ati o n i s t h e c a p a bilit y t o i nt e gr at e n e w m ulti- s c al e a n d m ulti- s e n s or i n str u m e nt ati o n s u c h a s m ulti- s c al e s ei s mi c a n d g e o el e ctri c m et h o d s ( c oll a b or ati o n wit h T 3) t h at will b e t e st e d i n u n d er gr o u n d r e s e ar c h l a b s a n d at t h e s e a ff o or. A m o n g t h e a p pli c ati o n s of t h e s e m et h o d s ar e t h e e x pl or ati o n a n d sit e c h ar- a ct eriz ati o n of pr o s p e cti v e cl a y u nit s, cr y st alli n e r o c k s, or s alt f or n u cl e ar w a st e r e p o sit ori e s. E v er m or e c o m pl e x o b s er v ati o n s y st e m s will al s o r e q uir e n e w c o n c e pt s f or d at a m a n a g e m e nt a n d e x pl oit ati o n u si n g a d v a n c e d d at a s ci e n c e . N u m eri c al m o d eli n g i s n o w a n i nt e gr al p art of t h e e x pl or ati o n w or k fl o w i n g e o e n - er g y a n d mi n er al s y st e m s. G e ol o gi c al c o n str ai nt s, h o w e v er, ar e r ar el y c o m pl et e, a n d s y st e m m o d el s c a n h a v e l ar g e u n c ert ai nti e s. M o d er n d at a- s ci e n c e a p pr o a c h e s att e m pt t o o v er c o m e t hi s b y tr ai ni n g m o d el s i n w ell- e x- pl or e d ar e a s t o m a k e pr e di cti o n s i n u n d er- e x pl or e d ar e a s. H o w e v er, n e w g e n er ati o n s of arti fi ci al i nt elli g e n c e ( AI) a n d m a c hi n e l e ar ni n g ar e n e e d e d t o li n k p h y si c al m o d el s wit h t h e or eti c al c o n str ai nt s ( e. g., t h er m o d y n a mi c e q uili bri a). D e e p n e ur al n et w or k s ar e a pr o mi si n g w a y f or w ar d a s t h e y c a n h a n dl e s p ati o-t e m p or al d e p e n d e n - ci e s, i n cl u di n g v ari ati o n s i n t h e st at e of t h e s y st e m i n a d diti o n t o l o c al e n vir o n m e nt al c o n diti o n s. 2 3 0 T e sti n g t h e r eli a bilit y of t h e s e t o ol s a n d a p pr o a c h e s will b e of criti c al i m p ort a n c e i n t h e n e xt d e c a d e, a s w e ar e r e q uir e d t o pr o vi d e c o n fi d e n c e li mit s o n di fi er e nt a s p e ct s of s u b s urf a c e e n er g y a n d mi n er al s y st e m s f or t h e s af e d e si g n of u s a g e o pti o n s of t h e s u b s urf a c e. S e n siti vit y t e st s c a n a s s e s s m o d el r eli a bilit y, b ut i n cr e a si n g t h e r eli a bilit y 2 2 8 *J o u s s et P, et al. 2 0 1 8. D y n a mi c str ai n d et er mi n ati o n u si n g fi br e- o pti c c a bl e s all o w s i m a gi n g of s ei s m ol o gi c al a n d str u ct ur al f e a- t ur e s. N at ur e C o m m. 9: 2 5 0 9. 2 2 9 * S a fi p o ur R, H ölz S, H al b a c h J, J e g e n M, P et er s e n S, S wi di n s k y A. 2 0 1 7. A s elf- p ot e nti al i n v e sti g ati o n of s u b m ari n e m a s si v e s ul fi d e s: P ali n ur o S e a m o u nt, Tyrr h e ni a n S e a. G e o p h y si c s. 8 2: A 5 1 – A 5 6. 2 3 0 R ei c h st ei n M, C a m p s- V all s G, St e v e n s B, J u n g M, D e nzl er J, C ar v al h ai s N, Pr a b h at. 2 0 1 9. D e e p l e ar ni n g a n d pr o c e s s u n d er st a n di n g f or d at a- dri v e n E art h s y st e m s ci e n c e. N at ur e. 5 6 6: 1 9 5 – 2 0 4. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 1 9

T o pi c 8: G e or e s o ur c e s f or t h e E n er g y Tr a n siti o n a n d a Hi g h- T e c h S o ci et y a n d si m ul ati o n w or k fi o w s. F or si m ul ati o n s of or e-f or mi n g pr o c e s s e s, G F Z a n d G E O M A R ar e f urt h er i m pr o vi n g st at e- of-t h e- art s oft w ar e f or m ulti- p h a s e fi o w of s ali n e h y dr ot h er m al fi ui d s b el o w a n d u p t o m a g m ati c t e m - p er at ur e s i n c o nj u n cti o n wit h r o c k m e c h a ni c s ( C S M P + +, H T 2 _ s alt). O n e f o c u s of m o d el d e v el o p m e nt s will b e o n f e e d b a c k s b et w e e n m a g m ati c a c cr eti o n of o c e a ni c cr u st, h y dr ot h er m al ff ui d fi o w, a n d s e a w at er-r o c k- s e di - m e nt- or g a ni c i nt er a cti o n s. 2 3 1 Ri s k s a n d O p p ort u niti e s f or t h e S u bt o pi c s. T 8 m u st b e r e s p o n si v e t o r a pi dl y c h a n gi n g s o ci et al n e e d s a n d al s o t o t h e c o n diti o n s of a c h a n gi n g E art h a n d it s cli m at e s y st e m. T hi s i n cl u d e s e x a mi ni n g t h e r e sili e n c e of s u c h s ol uti o n s t o di sr u pti o n d u e t o e xtr e m e w e at h er a n d l o n g er-t er m cli m at e i m p a ct s. Ri s k s fr o m cli m at e c h a n g e i n cl u d e dr o u g ht-r el at e d l o w eri n g of gr o u n d w at er l e v el s a n d s ali niz ati o n of gr o u n d w at er d u e t o s e a l e v el ri s e, b ot h wit h n e g ati v e i m p a ct o n s h all o w g e ot h er m al a n d e n er g y st or a g e; d e st a biliz ati o n of g a s h y dr at e s b y gl o b al w ar mi n g ( e. g., p er m afr o st m elti n g i n t h e Ar cti c, li n k s t o T 5); a n d i nfr a str u ct ur e d a m a g e fr o m fi o o di n g. F or m et al mi ni n g, v a st a m o u nt s of fr e s h w at er ar e n e e d e d f or e x pl oit ati o n ( or e tr e at m e nt) a n d w a st e m a n - a g e m e nt ( e. g., st a biliz ati o n of t aili n g s). At t h e s a m e ti m e, w e b eli e v e t h at n e w o p p ort u niti e s f or r e s e ar c h will e m er g e, i n cl u di n g n e w g e ot h er m al p o w er o pti o n s i n u n d er d e v el o p e d n ati o n s or u n e x p e ct e d di s c o v eri e s of n e w r e s o ur c e p ot e nti al i n ar e a s t h at c o ul d c h a n g e t h e f o c u s of o ur r e s e ar c h. All of t h e s e e fi e ct s ar e h a p p e ni n g n o w, b ut t h eir s o ci et al i m p a ct a n d miti g ati o n o pti o n s c a n n ot b e pr o p erl y a s s e s s e d wit h o ut a cl e ar u n d er st a n di n g of w h er e o ur e n er g y a n d r a w m at eri al s will b e s o ur c e d i n t h e f ut ur e. O n t h e S u bt o pi c l e v el, u nf or e s e e n e v e nt s m a y i m p a ct t h e pl a n n e d mil e st o n e s a n d d eli v er a bl e s s u c h a s o p er - ati o n al ri s k s, p arti c ul arl y f or drilli n g pr oj e ct s. H o w e v er, t h e c o m bi n e d e x p eri e n c e a n d r e s e ar c h i nfr a str u ct ur e of t h e p art n er s gi v e s c o n si d er a bl e fi e xi bilit y a n d t hi s ri s k c a n b e mi ni miz e d b y p arti ci p ati n g i n s e v er al pr oj e ct s a n d c o o p er ati o n wit h di fl er e nt (i n d u str y) p art n er s, s u c h t h at t h e o v er all T o pi c g o al s ar e m et d e s pit e i n di vi d u al, sit e- s p e ci ff c d el a y s. E) Pr e vi o u s a c hi e v e m e nt s of t h e c o ntri b uti n g c e nt er s a n d i nfr a str u ct ur e s E x p erti s e a n d pr eli mi n ar y w or k. G F Z a n d U F Z h a v e j oi ntl y d e v el o p e d n e w str at e gi e s f or t h e u s e of g e ot h er- m al e n er g y d uri n g P o F III t o g et h er wit h p art n er s at KI T i n t h e R F E n er g y. W or k i n P o F III r e s ult e d i n t h e fir st bi n ar y g e ot h er m al p o w er pl a nt i n I n d o n e si a, wit h 1 0 0 M W h of el e ctri cit y g e n er at e d. T e c h n ol o gi e s f or i m pr o vi n g d e e p g e ot h er m al r e s er v oir e n gi n e eri n g f o c u s e d o n t h e r e s e ar c h pl atf or m at Gr o ß S c h ö n e b e c k b ut b e n e fft e d fr o m ot h er sit e s i n E ur o p e, O m a n, C hi n a a n d M e xi c o. I n c oll a b or ati o n wit h U F Z, G F Z s u c c e s sf ull y d e m o n str at- e d t h e f ull lif e- c y cl e of s u b s urf a c e C O 2 st or a g e at K etzi n a n d r e c ei v e d t h e flr st C ar b o n S e q u e str ati o n L e a d er- s hi p F or u m a w ar d. E xt e n si v e r e s e ar c h o n p etr ol e u m s y st e m s at G F Z l ai d t h e f o u n d ati o n f or n e w w or k t o w ar d s a m or e e fi ci e nt utiliz ati o n of f o s sil f u el s a n d f or a s s e s si n g t h e e fi e ct s of t h e d e e p bi o s p h er e o n g e or e s o ur c e s e x pl oit ati o n. G F Z r e s e ar c h er s c o n str u ct e d n e w m o d el s c o u pli n g h y dr ot h er m al fi o w b e h a vi or, r o c k m e c h a ni c s, a n d mi n er aliz ati o n f or i ntr u si o n-r el at e d S n- W d e p o sit s. U F Z h a s pi o n e er e d o p e n- s o ur c e w or k fi o w s f or n u m eri - c al si m ul ati o n of T H M C pr o c e s s e s i n fr a ct ur e d p or o u s m e di a wit h v ari o u s g e o e n er g y a n d st or a g e a p pli c ati o n s. D uri n g P o F III, r a w m at eri al s r e s e ar c h at G F Z h a s s h o w n t h at pr e vi o u sl y- n e gl e ct e d pr o c e s s e s s u c h a s el e ctr o - c h e mi c al tr a n s p ort c a n pl a y a n i m p ort a nt r ol e i n u p gr a di n g P G E i n m a g m a c h a m b er s a n d t h at l ar g e Z n d e p o sit s c a n f or m b el o w t h e s urf a c e i n m ari n e s e di m e nt s d uri n g e arl y di a g e n e si s. I n P o F III, r e s e ar c h er s at G E O M A R a n d G F Z c oll a b or at e d t o d o c u m e nt a n d m o d el o fi s h or e h y dr o c ar b o n s y s- t e m s a n d t h eir s e e p a g e a n d t h e C O2 st or a g e p ot e nti al i n t h e s e a b e d, i n cl u di n g t e c h n ol o gi c al a n d ri s k a n al y si s. T hi s r e s e ar c h i s n o w b ei n g u s e d t o u n d er st a n d t h e f or m ati o n a n d r e a cti v ati o n of l e a k a g e str u ct ur e s r el e v a nt t o st or a g e a n d a b a n d o n e d oil a n d g a s pr o d u cti o n sit e s. G E O M A R a n d G F Z al s o j oi ntl y d e v el o p e d g e o p h y si c al t e c h ni q u e s f or m et h a n e h y dr at e e x pl or ati o n a n d m o d eli n g a p pr o a c h e s f or a s s e s si n g h y dr at e r e s o ur c e a n d st or a g e p ot e nti al i n t h e pr oj e ct S U G A R ( S u b m ari n e G a s H y dr at e R e s er v oir s). T h e G E O M A R- c o or di n at e d r e - s e ar c h pr o gr a m S F B 7 5 4 ‘ V ol atil e s a n d Fl ui d s i n S u b d u cti o n Z o n e s’ i n C e ntr al A m eri c a a n d C hil e l ai d t h e f o u n - d ati o n f or r e s e ar c h o n t h e g e o d y n a mi c c o ntr ol s of g e or e s o ur c e s i n s u b d u cti o n z o n e s i n T 8. G E O M A R r e s e ar c h 2 3 1 * H a s e n cl e v er J, T h ei s s e n- Kr a h S, R ü p k e L H, M or g a n J P, I y er J, P et er s o n S, D e v e y C W. 2 0 1 4. H y bri d s h all o w o n- a xi s a n d d e e p o fi- a xi s h y dr ot h er m al cir c ul ati o n at f a st- s pr e a di n g ri d g e s. N at ur e. 5 0 8: 5 0 8 – 5 1 2. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 2 1

T o pi c 8: G e or e s o ur c e s f or t h e E n er g y Tr a n siti o n a n d a Hi g h- T e c h S o ci et y o n D e e p G e ot h er m al E n er g y i n s e v er al E U- pr oj e ct s (I- G E T, G EI S E R, S U R E, D E S T R E S S, a s w ell a s c oll a b or ati o n wit h M e xi c o i n G E M e x), a s a cti v e p art n er s i n t h e E ur o p e a n J oi nt R e s e ar c h Pr o gr a m f or t h e m a n a g e m e nt a n d di s p o s al of r a di o a cti v e w a st e ( E U R A D), a n d t h e I nt er n ati o n al C o nti n e nt al Drilli n g Pr o gr a m (I C D P) f or w hi c h G F Z l e a d s t h e O p er ati o n al S u p p ort Gr o u p. B ot h G F Z a n d G E O M A R ar e a cti v e i n t h e I nt er n ati o n al O c e a n Di s c o v er y Pr o gr a m (I O D P), a n d G E O M A R al s o pr o vi d e s si g ni fi c a nt i n p ut f or i nf or m ati o n a n d o utr e a c h pr oj e ct s of t h e I n - t er n ati o n al S e a b e d A ut h orit y (I S A), U N E P a n d O E C D o n m ari n e r e s o ur c e s. U F Z i s si g ni fi c a ntl y c o ntri b uti n g t o t h e n e xt D E C O V A L E X p h a s e i n m o d el b e n c h m ar ki n g. Cr o s s- C utti n g A cti viti e s a n d Alli a n c e s. T 8 h a s e xt e n si v e cr o s s-t o pi c a cti viti e s wit h T 3, T 5 a n d T 6, s p e ci fi c all y a d dr e s si n g g e o d y n a mi c s, n at ur al h az ar d s a n d a nt hr o p o g e ni c i m p a ct s o n t h e l a n d a n d o c e a n s a s w ell a s t h e d e v el o p m e nt of si m ul ati o n pl atf or m s c o u pli n g p h y si c al, c h e mi c al a n d bi ol o gi c al pr o c e s s e s. O ur r el e v a nt r e s e ar c h r e s ult s will b e i nt e gr at e d i nt o t h e C T A s D E a n d E S M. T h e g e ot h er m al r e s e ar c h i n T 8 i s al s o p art of t h e C A R F G e o e n er g y, w hi c h i n cl u d e s c o ntri b uti o n s fr o m G F Z a n d U F Z i n R F E & E, a n d fr o m KI T i n R F E n er g y. T h e i C R O S S pr oj e ct o n t h e i nt e grit y of n u cl e ar w a st e r e p o sit or y s y st e m s i s a c o o p er ati o n li n ki n g U F Z a n d G F Z ( R F E & E) wit h KI T, F ZJ a n d H Z D R ( N U S A F E i n R F E n er g y), a n d will b e p art of t h e C A R F N u cl e ar R e p o sit or y R e s e ar c h. I n a d diti o n, G F Z a n d H Z G ( R F E & E) h a v e a pr o p o s e d c o o p er ati o n wit h KI T a n d H Z D R ( R F E n er g y) wit hi n C A R F HI- C A M, a d dr e s si n g o pti o n s f or a n et-z er o e mi s si o n s c e n ari o i n ur b a n ar e a s. O n a s m all er s c al e, G F Z r e s e ar c h er s c oll a b or at e wit h D E S Y p art n er s i n R F M att er ( s y n c hr otr o n- b a s e d e x p eri m e nt s) a n d wit h H Z D R ( s y nt h e si s of m at eri al s f or hi g h-t e c h a p pli c ati o n s). Fi n all y, o ur r e s e ar c h o n g e ot h er m al s y st e m s a n d i n d u c e d s ei s mi cit y i n ur b a n ar e a s c o ntri b ut e s t o C A R F R e sili e nt Ur b a n S p a c e s. Tr a n sf er a n d c o ntri b uti o n t o S y n C o m. T 8 i s u ni q u el y p o siti o n e d f or T e c h n ol o g y a n d K n o wl e d g e Tr a n sf er t o i n d u str y a n d g o v er n m e nt st a k e h ol d er s a s w ell a s a c a d e mi c p art n er s, n ati o n all y a n d w orl d wi d e. E a c h c e nt er h a s a T e c h n ol o g y Tr a n sf er O ff c e; t h e s e will b e p art of n e w n et w or k at t h e R F l e v el ( s e e C h. 1. 4. 1 a n d 1. 4. 4) a n d will o pti miz e c oll a b or ati v e a p pr o a c h e s b et w e e n t h e c e nt er s. S u c c e s sf ul t e c h n ol o g y tr a n sf er h a s b e e n d e m o n str at e d at o ur g e ot h er m al p o w er pl a nt i n L a h e n d o n g a n d t h e c ar b o n st or a g e f a cilit y at K etzi n. O ur t e a m s al s o h a v e e xt e n si v e e x p eri e n c e i n t e c h n ol o g y tr a n sf er t hr o u g h p art n er s hi p s wit h i n d u str y ( e x pl ai n e d a b o v e). B uil di n g o n t hi s r el ati o n s hi p, o n e m aj or o bj e cti v e will b e t o d e v el o p t o ol s f or t h e i nt e gr ati o n a n d a n al y si s of t h e v er y l ar g e a n d v ari e d E art h s ci e n c e d at a s et s t h at ar e g e n er at e d d uri n g c o m m er ci al r e s o ur c e e x pl or ati o n a n d d e v el o p m e nt, b ut h a v e tr a diti o n all y n ot b e e n p art of E art h S y st e m R e s e ar c h. T hi s will b e a c hi e v e d p artl y t hr o u g h t h e C T A s Di git al E art h a n d E S M. A n f urt h er e x a m pl e i s t h e pr o p o s e d c or e-l o g s ei s mi c i nt e gr ati o n pl atf or m, w hi c h will si g ni fi c a ntl y e xt e n d g e o s ci e n c e k n o wl e d g e a v ail a bl e fr o m e xi sti n g i n d u str y s a m pl e ar c hi v e s a n d r e p o sit ori e s. T 8 will al s o d e v el o p g e o s ci e n c e- b a s e d i nf or m ati o n pr o d u ct s o n r e s o ur c e a v ail a bilit y t o s u p p ort g o v er n m e nt a n d b u si n e s s i n d e ci si o n- m a ki n g f or i n v e st m e nt a n d f ut ur e a cti o n s r el at e d t o t h e e n er g y tr a n siti o n a n d r a w m at eri al s s u p pl y. T hr o u g h S y n C o m w e will r u n w or k s h o p s a n d e n g a g e i n di al o g u e pr o c e s s e s t h at d e al wit h t h e m e s s u c h a s t h e ur b a n g e ot h er m al s y st e m s, d e e p s e a mi ni n g a n d / or t h e st or a g e of e n er g y i n t h e s u b s urf a c e a n d if r e q uir e d, w e will pr o d u c e f a ct- b a s e d p o siti o n d o c u m e nt s f or st a k e h ol d er s. W e will a cti v el y u s e S y n C o m f or o utr e a c h a n d e d u c ati o n. F or e x a m pl e, it s pr e d e c e s s or, E S K P p u bli s h e d a s p e ci al i s s u e o n mi n er al d e p o sit s i n t h e d e e p o c e a n s i n D e c e m b er 2 0 1 8 a n d w e e n vi s a g e m or e t h e m e f o c u s e d pr o d u ct s s u c h a s t hi s o n e. Fi n all y, w e will w or k wit h c oll e a g u e s i n T 3 t o c o ntri b ut e t o t a s k f or c e s f o c u s e d o n r e s o ur c e-r el at e d, i n d u c e d s ei s mi cit y i s s u e s if t h e n e e d ari s e s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 2 3

T o pi c 9: O n e H e alt h y Pl a n et – D e v el o pi n g a n E x p o s o m e A p pr o a c h t o I nt e gr at e H u m a n a n d E n vir o n m e nt al H a z ar d A s s e s s m e nt S p o k e s p er s o n s: B e at e E s c h er a n d R olf Alt e n b ur g er, U F Z mi s si o n of T o pi c 9 i s t o w or k t o w ar d s a h e alt h y e n vir o n m e nt t h at i s T h e mi ni m all y c o m pr o - mi s e d b y c h e mi c al p oll uti o n a n d s af e g u ar d s h e alt h a n d w ell- b ei n g of p e o pl e. T h e q u alit y of o ur li v e s h a s i m pr o v e d u si n g s er vi c e s pr o vi d e d b y c h e mi c al s b ut e n vir o n m e nt al p oll uti o n c o ntri b ut e s t o b ur d e n of di s e a s e a n d c a u s e s a d v er s e e n vir o n m e nt al e fi e ct s. W e ar e e x p o s e d t o a m ultit u d e of c h e m - i c al s t hr o u g h m ulti pl e p at h w a y s fr o m di fi er e nt s o ur c e s. T o pi c 9 pr o p o s e s n e w a p pr o a c h e s t o a d v a n c e h az ar d a s s e s s m e nt b y a c c o u nti n g f or t h e t ot alit y of c h e mi c al s i n o ur b o di e s a n d t h e e n vir o n m e nt a n d b y r el ati n g e x p o s ur e t o mi xt ur e s of c h e mi c al s t hr o u g h m e c h a ni sti c n et w or k s t o a d v er s e o ut c o m e s. T h e a c q uir e d k n o wl e d g e will s u p p ort s u st ai n a bl e c h e mi str y a n d i m pr o v e e n vir o n m e nt al m o nit ori n g. A) S c o p e a n d c h all e n g e of t h e T o pi c R e s e ar c h s u bj e ct: T h e e x p o s o m e c h all e n g e. Or g a ni s m s i n t h eir e n vir o n m e nt ar e e x p o s e d t o a m ultit u d e of p ot e nti all y h ar mf ul s u b st a n c e s. 1 6 % of all gl o b al pr e m at ur e h u m a n d e at h s ar e e sti m at e d t o b e attri b ut a bl e t o p oll uti o n.2 3 2 T h e e x p o s o m e e n c o m p a s s e s a n i n di vi d u al’ s e x p o s ur e t o e x o g e n o u s c h e mi c al s a s w ell a s e n- d o g e n o u s c o m p o u n d s t h at ar e pr o d u c e d or alt er e d i n r e s p o n s e t o e xt er n al str e s s or s. 2 3 3 T h e e c o- e x p o s o m e d e fi n e s t h e a n al o g f or all n o n- h u m a n or g a ni s m s. J u st t o d e s cri b e t h e e x p o s o m e i s alr e a d y d a u nti n g d u e t o t h e e xi st e n c e of milli o n s of c h e mi c al s wit h t e n s of t h o u s a n d s e sti m at e d t o b e i n c urr e nt c o m m er ci al u s e. W e al s o n e e d t o u n d er st a n d t h e bi ol o gi c al e ff e ct s a s s o ci at e d wit h t h e e x p o s ur e. Li n ki n g t h e e x p o s o m e a p pr o a c h t o a n u n d er st a n di n g of t h e a d v er s e o ut c o m e p at h w a y s 2 3 4 will h a v e t h e p ot e nti al t o r el at e e x p o s ur e c a u s all y t o h e alt h o ut c o m e s a n d a d v er s e e c ol o gi c al e fi e ct s a n d h e n c e pr o vi d e m e c h a ni s m- b a s e d t o ol s f or h az ar d pr e di cti o n ( Fi g. 9. 1) 2 3 5 2 3 2 L a n dri g a n PJ, et al. 2 0 1 8 T h e L a n c et C o m mi s si o n o n P oll uti o n a n d H e alt h. T h e L a n c et. 3 9 1: 4 6 2 – 5 1 2. 2 3 3 Wil d C P. 2 0 0 5. C o m pl e m e nti n g t h e g e n o m e wit h a n " e x p o s o m e": T h e o ut st a n di n g c h all e n g e of e n vir o n m e nt al e x p o s ur e m e a s ur e- m e nt i n m ol e c ul ar e pi d e mi ol o g y. C a n c er E pi d Bi o Pr e v. 1 4( 8): 1 8 4 7 – 1 8 5 0. R a p p a p ort S M, S mit h M T. 2 0 1 0. E n vir o n m e nt a n d di s e a s e ri s k s. S ci e n c e. 3 3 0( 6 0 0 3): 4 6 0 – 4 6 1. 2 3 4 A n kl e y G T, et al. 2 0 1 0. A d v er s e o ut c o m e p at h w a y s: A c o n c e pt u al fr a m e w or k t o s u p p ort e c ot o xi c ol o g y r e s e ar c h a n d ri s k a s s e s s m e nt. E n vir o n T o xi c ol C h e m. 2 9( 3): 7 3 0 – 7 4 1. 2 3 5 * E s c h er BI, H a c k er m üll er J, P olt e T, S c h olz S, Ai g n er A, Alt e n b ur g er R, et al. 2 0 1 7. Fr o m t h e e x p o s o m e t o m e c h a ni sti c u n d er st a n di n g Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 2 5

T o pi c 9: O n e H e alt h y Pl a n et – D e v el o pi n g a n E x p o s o m e A p pr o a c h t o I nt e gr at e H u m a n a n d E n vir o n m e nt al H az ar d A s s e s s m e nt E x pl a n ati o n a n d j u sti fi c ati o n of r e s e ar c h. M o d er n s o ci eti e s r el y o n s er vi c e s pr o vi d e d b y c h e mi c al s t o s e c ur e f o o d pr o d u cti o n a n d t o s er v e a s p h ar m a c e uti c al s, i n d u stri al c o m m o diti e s, a n d a s pr o d u ct s f or d ail y n e e d s. At t h e s a m e ti m e, w e u n d er st a n d t h at h u m a n h e alt h a n d e c o s y st e m s er vi c e s m a y b e s e v er el y i m p a ct e d b y t h e e v - er- gr o wi n g u s e of c h e mi c al s a n d r e s ulti n g e n vir o n m e nt al c o nt a mi n ati o n. I nt er n ati o n al d e v el o p m e nt g o al s a n d t h e r e c e nt Gl o b al E n vir o n m e nt al O utl o o k of U N E P,2 3 7 t h er ef or e, c all f or s u st ai n a bl e pr o d u cti o n a n d c o n s u m pti o n of c h e mi c al s a n d c o m pr e h e n si v e h e alt h c o n si d er ati o n s. R e s e ar c h i n T 9 will d e v el o p h az ar d a s s e s s m e nt t o ol s f or t h e e n vir o n m e nt a n d h u m a n h e alt h, pr o vi d e m o nit ori n g t o ol s a n d s u p p ort miti g ati o n str at e gi e s. T h e r e s ult s of T 9 will al s o c o ntri b ut e t o t h e r e q u e st e d tr a n sf or m ati v e a g e n d a f o st eri n g s u st ai n a bl e c h e mi str y, 2 3 8 e n a bli n g m ul- tif u n cti o n al a gri c ult ur e a n d s u p p orti n g h e alt h y ur b a n ar e a s. S o ci al s ci e n c e a n al y s e s will o fi er i nt er a cti o n wit h st a k e h ol d er- s p e ci fi c ri s k p er s p e cti v e s t h at m a y a ff e ct b ot h m a n a g e m e nt o pti o n s a n d t h e r e g ul ati o n of c h e mi c al s. Str at e gi c g ui d eli n e s ( F o P o Z). T h e c h e mi c al s-r el at e d F o P o Z t h at a s k f or c h ar a ct erizi n g t h e ( e c o) e x p o s o m e i n c o nj u n cti o n wit h e n vir o n m e nt al m o nit ori n g will b e c e ntr al t o T 9 r e s e ar c h. W e c o v er t h e F o P o Z wit h t h e d e v el - o p m e nt a n d a p pli c ati o n of m et h o d s f or n o n-i n v a si v e s a m pli n g a n d c o m bi n e d c h e mi c al a n d bi ol o gi c al a n al y si s of e n vir o n m e nt al s a m pl e s. E v al u ati o n of h e alt h a n d e c ol o gi c al e fi e ct s will s p e ci fi c all y a d dr e s s t h e mi xt ur e s’ c h all e n g e. T h e o p p ort u niti e s of bi g d at a a n d di git aliz ati o n will b e e x pl or e d wit h r e s p e ct t o m ulti- o mi c s m et h - o d s a n d t h eir i nt e gr ati o n i nt o h az ar d a s s e s s m e nt. M e c h a ni s m- b a s e d pr o g n o sti c h az ar d a s s e s s m e nt s h o ul d f o st er i nt e gr ati o n of e n vir o n m e nt al a n d h u m a n h e alt h p er s p e cti v e s. It al s o s u p p ort s t h e d e si g n of s u st ai n a bl e c h e mi c al s. Sit e- s p e ci fi c ri s k a s s e s s m e nt will i m pr o v e e n vir o n m e nt al m a n a g e m e nt a n d c o m p ar e alt er n ati v e r e g ul at or y o pti o n s. F u n cti o n a n d c o ntri b uti o n of t h e T o pi c wit hi n t h e Pr o gr a m. T 9 will pr o vi d e t h e e x p erti s e f or i d e ntif yi n g c o m pl e x c h e mi c al e x p o s ur e a n d c o m bi n e d e fi e ct s i n h u m a n s a n d t h e e n vir o n m e nt. T 9 will l o o k at e c o s y st e m s a n d t h e a nt hr o p o s p h er e fr o m a h oli sti c p er s p e cti v e c o v eri n g e ntiti e s, e. g., t h e w at er c y cl e fr o m pri sti n e t o p oll ut e d e n vir o n m e nt s. T hi s g e n eri c p er s p e cti v e will c o m pl e m e nt T 4 o n s p e cif yi n g t h e a s s e s s m e nt of f at e a n d ri s k of p oll uti o n i n c o a st al l a n d- s e a- at m o s p h er e s y st e m s. C oll a b or ati o n wit h T 5 will a d dr e s s t h e pr o vi si o n of e n vir o n m e nt al q u alit y a n d s o ci et al m o nit ori n g a p pr o a c h e s. Wit h T 6 w e c a n a d dr e s s t h e q u e sti o n of h o st a n d mi cr o bi o m e r el at e d e fl e ct s. I nt er a cti o n wit h T 7 r e g ar d s i n di c at or s f or bi o e c o n o m y- b a s e d pr o c e s s e s. W e s u p - p ort t h e E U str at e g y f or a n o n-t o xi c e n vir o n m e nt b y r e s e ar c h i nt o t h e lif e c y cl e s of e xi sti n g a n d n e w c h e mi c al s. T 9 will pr o vi d e a bri d g e b et w e e n R F E & E a n d R F H e alt h f o st eri n g t h e c o m m o n mi s si o n of a h e alt h y e n vir o n m e nt t h at s u p p ort s h u m a n h e alt h w orl d wi d e. Hi g hli g ht s. T 9 t a c kl e s t h e mi xt ur e c h all e n g e. It will i nt e gr at e h u m a n h e alt h a n d e n vir o n m e nt al ri s k a s s e s s - m e nt i n t h e s pirit of t h e e x p o s o m e, c o n si d eri n g t h e t ot alit y of e x p o s ur e t o c o m pl e x a n d e v er- c h a n gi n g mi x - t ur e s. Pr e di cti v e m o d el s f or e ff e ct a s s e s s m e nt will b e b a s e d o n u n d er st a n di n g t h e m e c h a ni s m of t o xi c a cti o n. W e e x pl or e c h e mi c al s’ i n h er e nt tr a n sf or m ati o n c a p a cit y i n r el ati o n t o e n vir o n m e nt al ( bi o) d e gr a d ati o n p ot e nti al fr o m t h e l a b or at or y t o t h e l a n d s c a p e s c al e, a s w ell a s t h e m et a b oli c c a p a citi e s of or g a ni s m s, a n d t h e r ol e of t h e mi cr o bi o m e t o s u p p ort b e ni g n- b y- d e si g n c h e mi c al s. Hi g h-t hr o u g h p ut t e c h ni q u e s f or s cr e e ni n g ( bi o) a n al yt- i c s a n d alt er n ati v e t o xi cit y t e sti n g m et h o d s will b e i m p ort a nt c or n er st o n e s i n f ut ur e ri s k a s s e s s m e nt. B) M ai n r e s e ar c h a n d str u ct ur al o bj e cti v e s R e s e ar c h O bj e cti v e s. • • O bj e cti v e 1: T o d e v el o p t h e s ci e nti fi c f o u n d ati o n of a n u n d er st a n di n g of t h e ( e c o) e x p o s o m e t h at i nt e - gr at e s i nt er n al m e a s ur e s of t h e e x p o s o m e i n bi ot a a n d h u m a n s ( bi o m o nit ori n g) wit h e xt er n al pr o xi e s of t h e e x p o s o m e. O bj e cti v e 2: T o d e v el o p m et h o d s a n d m o d el s f or c h ar a ct erizi n g t h e e x p o s o m e a n d li n ki n g it vi a i nt er n al c h a n g e s at m et a b oli c, i m m u n e a n d e pi g e n eti c l e v el s t o a d v er s e o ut c o m e s. 2 3 7 U nit e d N ati o n s E n vir o n m e nt Pr o gr a m m e, Gl o b al E n vir o n m e nt O utl o o k 6: H e alt h y Pl a n et, H e alt h y P e o pl e, M ar c h 2 0 1 9, htt p s: //w w w. u n e n vir o n m e nt. or g / gl o b al- e n vir o n m e nt- o utl o o k. 2 3 8 I S C 3 I nt er n ati o n al S u st ai n a bl e C h e mi str y C oll a b or ati o n C e nt er, s e e htt p s://w w w.i s c 3. or g / e n / a cti viti e s. ht ml. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 2 7

T o pi c 9: O n e H e alt h y Pl a n et – D e v el o pi n g a n E x p o s o m e A p pr o a c h t o I nt e gr at e H u m a n a n d E n vir o n m e nt al H az ar d A s s e s s m e nt Fi g. 9. 3: S u bt o pi c s of T 9, t h eir m ai n ai m s a n d h o w t h e y li n k t o ot h er T o pi c s, C C A s a n d e xt er n al p art n er s. D) S u bt o pi c s S u bt o pi c 9. 1 C o pi n g wit h mi xt ur e s of c h e mi c al s i n t h e e n vir o n m e nt a n d i n o ur b o di e s M arti n v o n B er g e n, U F Z S c o p e a n d c h all e n g e s. Or g a ni s m s h a v e t o c o p e wit h c o m pl e x mi xt ur e s of c h e mi c al s i n t h eir e n vir o n m e nt a n d t a k e u p mi xt ur e s o v er m ulti pl e p at h w a y s fr o m t h eir f o o d a n d e n vir o n m e nt. T hi s S u bt o pi c pr o vi d e s t h e m et h o d ol o gi c al a d v a n c e m e nt f or u n d er st a n di n g t hi s e x p o s o m e. I n P o F III r e s e ar c h t h e e x p o s o m e w a s c o n c e p - t u aliz e d.2 4 4 N o w t h e c o m pr e h e n si v e u n d er st a n di n g of e x p o s ur e i s e n vi s a g e d t o m o v e i nt o a h az ar d c o nt e xt. It r e q uir e s e x p a n di n g q u a nti fi c ati o n of s el e ct e d mi xt ur e s of k n o w n c o m p o n e nt s t o a h oli sti c e v al u ati o n, u n d er- st a n di n g a n d a g gr e g at e d a s s e s s m e nt of a s s o ci at e d h e alt h a n d e n vir o n m e nt al ri s k s. M ai n o bj e cti v e s. T h e d et e cti o n of m ulti pl e c h e mi c al s i n di v er s e bi ol o gi c al m atri c e s will pr o gr e s s wit h n o v el a n al yti c al i n str u m e nt ati o n a n d m et h o d s s u c h a s n o n-t ar g et s cr e e ni n g a n d m ulti- c o m p o n e nt m o nit ori n g ( Fi g. 9. 4). I n or d er t o a s s o ci at e bi o m o nit ori n g fi n di n g s wit h e n vir o n m e nt al e x p o s ur e w e pl a n t o d e v el o p n o n-i n v a si v e m et h o d s. T hi s pr o vi d e s m or e e a sil y a c c e s si bl e pr o xi e s, e. g., b y s a m pli n g c h e mi c al s wit h sili c o n e wri st b a n d s. Mi xt ur e ri s k a s s e s s m e nt h a s t o a c c o u nt f or c h a n gi n g e x p o s ur e, p ot e nti all y lif e-l o n g a n d o v er m ulti pl e p at h - w a y s. Ri s k fr o m c o m pl e x e x p o s ur e c a n b e a d dr e s s e d t hr o u g h d et ail e d k n o wl e d g e a b o ut m e c h a ni s m s of j oi nt a cti o n a n d c a u s e- e fi e ct r el ati o n s hi p s. T h e A d v er s e O ut c o m e P at h w a y ( A O P) c o n c e pt pr o vi d e s a st arti n g p oi nt 2 4 4 * E s c h er BI, H a c k er m üll er J, P olt e T, S c h olz S, Ai g n er A, Alt e n b ur g er R, et al. 2 0 1 7. Fr o m t h e e x p o s o m e t o m e c h a ni sti c u n d er st a n di n g of c h e mi c al-i n d u c e d a d v er s e e ff e ct s. E n vir o n I nt. 9 9: 9 7 – 1 0 6. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 2 9

T o pi c 9: O n e H e alt h y Pl a n et – D e v el o pi n g a n E x p o s o m e A p pr o a c h t o I nt e gr at e H u m a n a n d E n vir o n m e nt al H az ar d A s s e s s m e nt W or k pr o gr a m. E x p o s o m e m e a s ur e s. W e will e st a bli s h a p pr o a c h e s f or q u a nti fi c ati o n of t h e e c o- e x p o s o m e a n d t h e h u m a n e x p o s o m e. W e u s e t ar g et e d m et h o d s f or c h e mi c al s of i d e nti fi e d ri s k a n d n o n-t ar g et e d a n al yti c al m et h o d s, w hi c h will all o w c h ar a ct eriz ati o n of c h e mi c al e x p o s ur e p att er n s. T o i d e ntif y s u s p e ct c h e mi c al s, a d at a- dri v e n s m art gr o u pi n g of c o m p o u n d s will b e p ur s u e d. T h e i nt e gr ati o n of c ur at e d c h e mi c al e x p o s ur e a n d e fi e ct d at a i n a di git al ‘ C h e mi c al U ni v er s e’, 2 4 8 will a d diti o n all y b o o st t h e i d e nti ff c ati o n of p att er n s. H er e w e will u s e st ati sti c al m et h o d s, s e m a nti c w e b t e c h n ol o gi e s li k e Li n k e d O p e n D at a ( L O D), a n d utiliz e arti fi ci al i nt elli g e n c e. W e will d e v el o p a n d a s s e s s s a m pli n g m et h o d s, w hi c h c o ul d s er v e a s n o n-i n v a si v e pr o xi e s f or t h e a s s e s s m e nt of a g gr e g at e e x p o s ur e, e. g., b y e x p a n di n g t h e c h e m o m et er a p pr o a c h t o h u m a n bi o m o nit ori n g. 2 4 9 T hi s will i n- cl u d e sili c o n e wri st b a n d s a n d ot h er t y p e s of p a s si v e s a m pli n g d e vi c e s a s w ell a s n o n-i n v a si v e h u m a n s a m pl e s s u c h a s s ali v a. N o n-i n v a si v e a p pr o a c h e s will b e p arti c ul arl y r el e v a nt f or f ut ur e m ot h er- c hil d c o h ort st u di e s. W e will al s o e x pl or e t h e r el ati o n s hi p wit h ot h er pr o xi e s f or h u m a n e x p o s ur e s u c h a s h o u s e d u st, dri n ki n g w at er a n d di et. A O P n et w or k s. M aj or i n n o v ati o n i s e x p e ct e d fr o m l o o ki n g i nt o c o m bi n e d e fi e ct s fr o m mi xt ur e e x p o s ur e. C h e mi c al s i n mi xt ur e s c a n b e gr o u p e d b y h o w t h e y a ct t o g et h er. A d v er s e O ut c o m e P at h w a y s ( A O P) a n d n et - w or k s will pl a y a m aj or r ol e t o c o n n e ct t h e a ct u al e x p o s ur e wit h j oi nt a d v er s e e fi e ct s. 2 5 0 T h e d e v el o p m e nt of A O P n et w or k s will b uil d o n i) t h e i d e nti fi c ati o n of ar c h et y pi c al mi xt ur e s of e n vir o n m e nt al a n d h u m a n h e alt h r el e v a n c e a n d t h eir s p ati o-t e m p or al d y n a mi c s, ii) t h e s y st e m- b a s e d e fl e ct d et e cti o n at v ari o u s l e v el s of bi ol o g - i c al or g a niz ati o n, a n d iii) t h e tr a n sf or m ati o n of bi ol o gi c al st a n d ar d m o d el s y st e m s t o e st a bli s h k n o wl e d g e a n d m o d el s o n t h e d y n a mi c s of e ff e ct- e fi e ct r el ati o n s hi p s. A s p e ci ff c f o c u s f or h e alt h- o ut c o m e s will b e o n c hil d h o o d di s e a s e s, m a n y of w hi c h e m er g e fr o m a d y sr e g ul a - ti o n at t h e i m m u n e s y st e m l e v el. A d diti o n all y, m ulti-l a y er ‘ o mi c s’ (i. e., e pi / g e n o mi c s, pr ot e o mi c s, tr a n s cri p- t o mi c s, m et a b ol o mi c s, fl u x ‘ o mi c s’) a n d si n gl e c ell a n al y s e s will b e u s e d t o p erf or m c a s e st u di e s f or A O P s a n d d e vi s e t o ol s f or d e ali n g wit h d at a- s p ar s e s etti n g s. T o v ali d at e e pi d e mi ol o gi c al fi n di n g s fr o m r etr o s p e cti v e a n d pr o s p e cti v e c o h ort st u di e s a n d t o a d dr e s s t h e u n d erl yi n g c a u s al m e c h a ni s m s, w e will e m pl o y di s e a s e- s p e ci fi c i n vi v o a n d i n vitr o m o d el s. Mi cr o bi o m e. T h e r el ati o n s hi p b et w e e n e x p o s ur e a n d a d v er s e h e alt h o ut c o m e s will f urt h er b e s cr uti niz e d f or t h e m o dif yi n g r ol e of t h e mi cr o bi o m e ( g ut, s ki n, a n d n o s e). W e will u s e m o d el s c o v eri n g di fi er e nt d e gr e e s of c o m pl e xit y: fr o m si m pli fi e d c o n s orti a i n bi or e a ct or s t o c o m pl e x c o m m u niti e s i n a ni m al m o d el s u p t o a n al y s e s i n c hil dr e n’ s c o h ort s t o e x pl or e t h e r ol e of t h e mi cr o bi o m e a s e x p o s ur e- m e a s ur e a n d m o di fi er of c h e mi c al e x p o s ur e. I n vi v o m o d el s u si n g g n ot o bi oti c (i. e., st eril e) a ni m al m o d el s will b e e st a bli s h e d t o d e m o n str at e c a u s al li n k s b et w e e n c h e mi c al e x p o s ur e, mi cr o bi o m e a n d di s e a s e o ut c o m e. B y i nt e gr ati n g m ulti- o mi c s a n al y - s e s, w e ai m at m e c h a ni sti c u n d er st a n di n g of mi cr o bi al e c ol o g y a n d i nt er a cti o n s i n r e s p o n s e t o e n vir o n m e nt al str e s s or s a n d t h eir i m p a ct o n p ot e nti al mi cr o bi al m alf u n cti o ni n g, c all e d d y s bi o si s. W e will c o m p ar e t h e e n vi - r o n m e nt al mi cr o bi o m e a n d t h e h u m a n mi cr o bi o m e a n d c orr el at e t h eir ti m e a n d s p ati al p att er n s wit h d et e ct e d d y s bi o si s a n d c hil d h o o d di s e a s e s. T h e s e i n si g ht s will b e tr a n sl at e d i nt o d y s bi o si s al ert s f or a n i m pr o v e d ri s k a s s e s s m e nt. D eli v er a bl e s ( D) a n d Mil e st o n e s ( M) • D 9. 1 ( 2 0 2 7): Di git al p att er n s of e n vir o n m e nt al e x p o s ur e a n d h e alt h. M 9. 1- 1 ( 2 0 2 3): Str at e gi e s f or a s- s e s si n g ( e c o-) e x p o s o m e t y p ol o gi e s u si n g n o n-t ar g et a n al yti c s a n d bi o a n al yti c al e fi e ct d et e cti o n. M 9. 1- 2 ( 2 0 2 4): D o c u m e nt ati o n of pr o c e d ur e s f or a s s e s si n g t h e e x p o s o m e i n c o h ort st u di e s. M 9. 1- 3 ( 2 0 2 5): I m m u n e p ar a m et er s a n d ‘ o mi c s’ i n c o h ort s a n d li n k s of c h e mi c al e x p o s ur e pr o xi e s wit h h e alt h-r el at e d e n d p oi nt s. 2 4 8 Fi n k T, R e y m o n d J L. 2 0 0 7. Virt u al e x pl or ati o n of t h e c h e mi c al u ni v er s e u p t o 1 1 at o m s of C, N, O, F: a s s e m bl y of 2 6. 4 milli o n str u ct ur e s ( 1 1 0. 9 milli o n st er e oi s o m er s) a n d a n al y si s f or n e w ri n g s y st e m s, st er e o c h e mi str y, p h y si c o- c h e mi c al pr o p erti e s, c o m p o u n d cl a s s e s a n d dr u g di s c o v er y. C h e m I nf M o d el. 4 7: 3 4 2 – 3 5 3. 2 4 9 *J a h n k e A, et al. 2 0 1 4. Sili c o n e p a s si v e e q uili bri u m s a m pl er s a s ' c h e m o m et er s' i n e el s a n d s e di m e nt s of a S w e di s h l a k e. E n vir o n- m e nt al S ci e n c e: Pr o c e s s e s & I m p a ct s. 1 6( 3): 4 6 4- 4 7 2. 2 5 0 * E s c h er BI, H a c k er m üll er J, P olt e T, S c h olz S, Ai g n er A, Alt e n b ur g er R, et al. 2 0 1 7. Fr o m t h e e x p o s o m e t o m e c h a ni sti c u n d er st a n di n g of c h e mi c al-i n d u c e d a d v er s e e fi e ct s. E n vir o n I nt. 9 9: 9 7 – 1 0 6. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 3 1

T o pi c 9: O n e H e alt h y Pl a n et – D e v el o pi n g a n E x p o s o m e A p pr o a c h t o I nt e gr at e H u m a n a n d E n vir o n m e nt al H az ar d A s s e s s m e nt F or t h e e fi e ct c o m p o n e nt of ri s k a s s e s s m e nt o ur f o c u s will b e o n a w ei g ht- of- e vi d e n c e a p pr o a c h u si n g alt er - n ati v e t e st m et h o d s a c c or di n g t o t h e 3 R pri n ci pl e s. A s m art c o m bi n ati o n of c o m p ut ati o n al t o ol s wit h i n vitr o m o d el s ( Fi g. 9. 5) i s g e ar e d t o w ar d s utiliz ati o n i n c h e mi c al d e si g n t o a v oi d f ut ur e ‘r e gr ett a bl e s u b stit uti o n s’. T o i m pl e m e nt a n i nt e gr at e d t e sti n g str at e g y 2 5 3, 2 5 4 a n d alt er n ati v e t e st m et h o d s i n ri s k a s s e s s m e nt a n d m o n- it ori n g s e v er al k n o wl e d g e g a p s n e e d t o b e fill e d, i n cl u di n g i) q u a ntit ati v e d o si m etr y a n d t o xi c o ki n eti c s i n i n vitr o t e st s y st e m s, 2 5 5 ii) ( q u a ntit ati v e) i n vitr o t o i n vi v o e xtr a p ol ati o n ( QI VI V E)2 5 6, 2 5 7 ( Fi g. 9. 5) t h at g o e s b e y o n d c orr el ati o n a n al y si s, a n d iii) c o m pr e h e n si v e t o xi c o d y n a mi c s a n al y si s e x p a n di n g i n vitr o a p pr o a c h e s. W or k pr o gr a m. P er si st e n c e. F or t h e e x p eri m e nt al hi g h-t hr o u g h p ut a p pr o a c h e s t o u n d er st a n d t h e tr a n sf or m ati o n of gi v e n c h e mi c al s u n d er v ari o u s c o n diti o n s, w e will e x pl or e di fi er e nt t y p e s of c o n diti o n s, f or e x a m pl e, li g ht-i n d u c e d, a n o xi c or hi g h /l o w p H c o n diti o n s. W e pl a n t o d e v el o p hi g h-t hr o u g h p ut t e sti n g o n m o d el c h e mi c al s r e pr e - s e nti n g str u ct ur al or r e a cti v e cl a s s e s of c h e mi c al s u n d er s et s of r e a cti o n c o n diti o n s. St u di e s will i n cl u d e t h e i d e nti ff c ati o n of tr a n sf or m ati o n pr o d u ct s. W e will u s e t h e c h e mi c al s’ i n h er e nt pr o p erti e s a n d li n k t h e m t o mi cr o bi al d e gr a d ati o n a n d m et a b oli c tr a n sf or m ati o n pr o c e s s e s i n or g a ni s m s t o d eri v e m e c h a ni sti c m o d el s of p er si st e n c e. H a z ar d. O ur f o c u s i s o n alt er n ati v e t e st m et h o d s wit h t h e c a p a cit y t o i n v e sti g at e hi g h n u m b er s of c h e mi c al s i n or d er t o d e v el o p pr e di cti v e c o m p ut ati o n al m o d el s t h at s u p p ort t h e d e si g n of s u st ai n a bl e c h e mi c al s. W e di fi er e nti at e b et w e e n t h e t o xi c o ki n eti c s ( T K: a b s or pti o n, di stri b uti o n, m et a b oli s m a n d eli mi n ati o n) a n d t h e t o x - i c o d y n a mi c s ( T D: all st e p s of a n A O P) ( Fi g. 9. 6). F or T K, w e a d dr e s s m e m br a n e p er m e a bilit y, bi otr a n sf or m ati o n a n d a cti v e tr a n s p ort of i o niz a bl e or g a ni c c h e mi c al s f or i m pr o v e d pr e di cti o n of t o xi c o ki n eti c s. Fi g. 9. 6: A p pr o a c h f or i nt e gr at e d h az ar d a s s e s s m e nt i n S u bt o pi c 9. 2. 2 5 3 Bl a a u b o er BJ. 2 0 1 5. T h e l o n g a n d wi n di n g r o a d of pr o gr e s s i n t h e u s e of i n vitr o d at a f or ri s k a s s e s s m e nt p ur p o s e s: Fr o m “ c ar n ati o n t e st” t o i nt e gr at e d t e sti n g str at e gi e s. T o xi c ol o g y. 3 3 2: 4- 7. 2 5 4 * R o vi d a C, et al. 2 0 1 5. I nt e gr at e d t e sti n g str at e g y f or s af et y a s s e s s m e nt. A L T E X 3 2: 2 5 – 4 0. 2 5 5 * Fi s c h er F, et al. 2 0 1 7. M o d elli n g e x p o s ur e i n t h e T o x 2 1 i n vitr o bi o a s s a y s. C h e m R e s T o xi c ol. 3 0: 1 1 9 7 – 1 2 0 8. 2 5 6 W et m or e B A. 2 0 1 5. Q u a ntit ati v e i n vitr o-t o-i n vi v o e xtr a p ol ati o n i n a hi g h-t hr o u g h p ut e n vir o n m e nt. T o xi c ol o g y. 3 3 2: 9 4- 1 0 1. 2 5 7 * L ari s c h W, et al. 2 0 1 7. A t o xi c o ki n eti c m o d el f or fi s h i n cl u di n g m ulti p h a s e s or pti o n f e at ur e s. E n vir o n T o xi c ol C h e m. 3 6: 1 5 3 8 – 1 5 4 6. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 3 3

T o pi c 9: O n e H e alt h y Pl a n et – D e v el o pi n g a n E x p o s o m e A p pr o a c h t o I nt e gr at e H u m a n a n d E n vir o n m e nt al H az ar d A s s e s s m e nt r el e a s e i nt o t h e e n vir o n m e nt c h e mi c al s a s w ell a s a nt hr o p o g e ni c p arti cl e s o n t h e m a cr o-, mi cr o a n d n a n o s c al e st e m mi n g, e. g., fr o m pl a sti c litt er, ar e s u bj e ct t o f at e a n d tr a n s p ort pr o c e s s e s 2 6 0 a n d p o s si bl y c a u s e bi ol o gi c al e fi e ct s 2 6 1 or a ct a s v e ct or s of c h e mi c al s.2 6 2 A d v a n c e s i n a n al yti c al a n d bi o a n al yti c al t e c h ni q u e s pr o vi d e i n cr e a si n gl y d at a-ri c h a n d c o m pl e x d at a s et s. D at a a n al y si s a p pr o a c h e s, li k e m a c hi n e l e ar ni n g or L O D i nt e gr ati o n h a v e pr o v e n hi g hl y s u c c e s sf ul i n lif e s ci e n c e s b ut c o m p ar a bl e a p pr o a c h e s f or bi g d at a e v al u ati o n i n t h e e n vir o n m e nt al s ci e n c e s ar e l a g gi n g b e hi n d a n d will b e a f o c u s of S T 9. 3. M ai n o bj e cti v e s. T h e g o al i s t o f o st er s ol uti o n- ori e nt e d c h e mi c al s m a n a g e m e nt wit h a f o c u s o n i d e nti fi c ati o n of mi xt ur e ri s k dri v er s. T h u s e n vir o n m e nt al s ur v eill a n c e will b e e x p a n d e d fr o m m o nit ori n g of k n o w n c h e mi c al s i n w at er t o a st e w ar d s hi p vi e w o n e c o s y st e m s t h at e st a bli s h e s a wi d er l o o k at c h e mi c al c o nt a mi n ati o n i n c o nj u n cti o n wit h n o n- c h e mi c al str e s s or s ( Fi g. 9. 7). T hi s S u bt o pi c will b uil d o n t h e a c hi e v e m e nt s of S T 9. 1 a n d S T 9. 2, a p pl yi n g t h e m t o r e al- w orl d l a n d s c a p e l a b or at ori e s. T h e n e w m o nit ori n g str at e g y will b e t ail or e d f or l ar g e s a m pl e n u m b er s, mi xt ur e d et e cti o n a n d m ulti pl e t o xi c ol o gi c al e n d p oi nt s, t o s u p p ort t h e E U p oli c y f or a n o n-t o xi c e n vir o n m e nt ( Fi g. 9. 7). 2 6 3 T h e pr o p o s e d r e s e ar c h ai m s t o e st a bli s h a c o h er e nt m o nit ori n g fr a m e w or k f or c h e mi c al s i) b y a d v a n ci n g m o n - it ori n g t o ol s i n t er m s of t hr o u g h p ut c a p a cit y a n d di a g n o sti c v al u e, ii) b y c o m bi ni n g t h e m i nt o m o d ul e s, w hi c h all o w f or c o m pr e h e n si v e a s s e s s m e nt of mi xt ur e s a n d t h eir e fi e ct s a n d iii) b y i n cl u di n g n o n- c h e mi c al str e s s or s s u c h a s cli m at e- dri v e n c h a n g e s i n cl u di n g h e at e xtr e m e s a s i nt e gr al p art s of m o nit ori n g. W e will f o c u s o n t h e c o m p art m e nt s s urf a c e w at er, s e di m e nt a n d a q u ati c bi ot a a n d t h eir i nt erf a c e s. W or k pr o gr a m. M o nit ori n g t o ol b o x. W e will e st a bli s h a m o nit ori n g t o ol b o x f or l ar g e- s c al e a s s e s s m e nt of c o m pl e x c o nt a mi n a - ti o n a n d it s n at ur al att e n u ati o n. T hi s i n cl u d e s a n u n bi a s e d tr a n sf er of mi xt ur e s of c h e mi c al s fr o m di v er s e e n- vir o n m e nt al m atri c e s i nt o t h e l a b or at or y. Al s o, e x p a n di n g a n al yti c al m et h o d s will i n cr e a s e s e n siti vit y, t hr o u g h - p ut a n d c o v er a g e of c o m p o u n d s. N o n-t ar g et s cr e e ni n g a n d m ulti- el e m e nt c o m p o u n d- s p e ci ff c st a bl e i s ot o p e a n al y si s will b e i nt e gr at e d t o u nr a v el t h e m ai n s o ur c e s a n d i n sit u tr a n sf or m ati o n of c h e mi c al s. Bi o a n al yti c al t e sti n g will b e e x p a n d e d t o w ar d s i m pr o v e d c o v er a g e of bi ol o gi c al /t o xi c ol o gi c al e n d p oi nt s. M ulti pl e str e s s. A d v er s e e fi e ct s of c h e mi c al s i n e c o s y st e m s ar e oft e n e n h a n c e d b y a d diti o n al str e s s or s. W e will t h er ef or e d e v el o p t e c h ni q u e s t o d et e ct s u c h str e s s or s a n d b o u n d ar y c o n diti o n s i n t h e fi el d. Str e s s or c o m - bi n ati o n s will b e st u di e d at l a n d s c a p e s c al e s wit h a di a g n o sti c p er s p e cti v e: E xi sti n g e x a m pl e s ar e t h e S m all Str e a m E v e nt M o nit ori n g 2 6 4 a n d t h e J oi nt D a n u b e S ur v e y.2 6 5 U si n g s u c h st u di e s w e will p ur s u e t h e s y st e m ati c i nt e gr ati o n of n o n- c h e mi c al str e s s or s i n t e sti n g a n d m o d eli n g str at e gi e s f or t h e e fi e ct a s s e s s m e nt of c h e mi c al mi xt ur e s. 2 6 6 Pri oritiz ati o n of a b at e m e nt o pti o n s f or e mi s si o n s of c o n c er n will b e p erf or m e d u si n g a p pr o a c h e s f or r e gi o n al t o xi c f o ot pri nt s c al c ul ati o n. P arti cl e s. A nt hr o p o g e ni c p arti cl e s m a y i nt er a ct wit h di s s ol v e d c o n stit u e nt s b y v ari o u s pr o c e s s e s, e. g., b y di s - s ol uti o n, s or pti o n or l e a c hi n g of di s s ol v e d c h e mi c al s. T h e s e m a y m o d ul at e t h e e n vir o n m e nt al r el e v a n c e of a n - t hr o p o g e ni c p arti c ul at e m att er a s w ell a s a s s o ci at e d c h e mi c al s. O ur a p pr o a c h e s t o a s s e s s t h eir e n vir o n m e nt al r el e v a n c e c o m pri s e i) t o c h ar a ct eriz e e mi s si o n s of a nt hr o p o g e ni c p arti cl e s i n cl u di n g pl a sti c litt er a n d pi g m e nt s i nt o t err e stri al a n d fr e s h w at er e n vir o n m e nt s (li n k s t o T 4, T 5, a n d T 6), ii) t o d et er mi n e t h eir tr a n s p ort p at h w a y s a n d si n k s s u c h a s fr e s h w at er s e di m e nt s or t h e m ari n e e n vir o n m e nt, iii) t o u nr a v el e n vir o n m e nt all y r el e v a nt f at e pr o c e s s e s i n cl u di n g s ol ut e- p arti cl e i nt er a cti o n s a n d p o s si bl e a d v er s e e fi e ct s o n li vi n g bi ot a ( Fi g. 9. 8). 2 6 0 * W a g n er S, R e e mt s m a, T. 2 0 1 9. T hi n g s w e k n o w a n d w e d o n’t k n o w a b o ut n a n o pl a sti c i n t h e e n vir o n m e nt. N at ur e N a n ot e c h n ol o g y. 1 4: 3 0 0 – 3 0 3. 2 6 1 *J a h n k e A, et al. 2 0 1 7. R e d u ci n g u n c ert ai nt y a n d c o nfr o nti n g i g n or a n c e a b o ut t h e p o s si bl e i m p a ct s of w e at h eri n g pl a sti c i n t h e m ari n e e n vir o n m e nt. E n vir o n m e nt al S ci e n c e & T e c h n ol o g y L ett er s. 4: 8 5 – 9 0. 2 6 2 K o el m a n s A A, et al. 2 0 1 6. Mi cr o pl a sti c a s a v e ct or f or c h e mi c al s i n t h e a q u ati c e n vir o n m e nt: Criti c al r e vi e w a n d m o d el- s u p p ort e d r ei nt er pr et ati o n of e m piri c al st u di e s. E n vir o n S ci T e c h n ol. 5 0( 7): 3 3 1 5 – 3 3 2 6. 2 6 3 * Br a c k W, et al. 2 0 1 7. T o w ar d s t h e r e vi e w of t h e E ur o p e a n U ni o n W at er Fr a m e w or k Dir e cti v e: R e c o m m e n d ati o n s f or m or e e fl ci e nt a s s e s s m e nt a n d m a n a g e m e nt of c h e mi c al c o nt a mi n ati o n i n E ur o p e a n s urf a c e w at er r e s o ur c e s. S ci T ot al E n vir o n. 5 7 6 : 7 2 0 – 7 3 7. 2 6 4 S e e htt p s://w w w. ufz. d e / k g m /i n d e x. p h p ? e n = 4 4 4 8 0 – D e m o n str ati o n pr oj e ct o n e v e nt- b a s e d m o nit ori n g of s m all ri v er s. 2 6 5 S e e htt p://w w w. d a n u b e s ur v e y. or g /j d s 4 / – I n v e sti g ati v e s urf a c e w at er m o nit ori n g pr oj e ct. 2 6 6 * Alt e n b ur g er R, et al. 2 0 1 5. F ut ur e w at er q u alit y m o nit ori n g – A d a pti n g t o ol s t o d e al wit h mi xt ur e s of p oll ut a nt s i n w at er r e s o ur c e m a n a g e m e nt. S ci T ot al E n vir o n. 5 1 2 – 5 1 3: 5 4 0 – 5 5 1. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 3 5

T o pi c 9: O n e H e alt h y Pl a n et – D e v el o pi n g a n E x p o s o m e A p pr o a c h t o I nt e gr at e H u m a n a n d E n vir o n m e nt al H az ar d A s s e s s m e nt E) Pr e vi o u s a c hi e v e m e nt s of t h e c o ntri b uti n g c e nt er s a n d i nfr a str u ct ur e s E x p erti s e a n d pr eli mi n ar y w or k. I n P o F III, w e h a v e a c hi e v e d i niti al c o n n e cti o n s b et w e e n pr o g n o sti c a n d sit e- s p e ci fi c c h e mi c al h az ar d a s s e s s m e nt w or k. 2 6 7, 2 6 8 F urt h er, w e o p er ati o n aliz e d t h e e x p o s o m e c o n c e pt2 6 9 a n d pr o vi d e d n o v el vi e w s o n c o m pl e x e x p o s ur e, 2 7 0 f at e2 7 1 a n d e fi e ct2 7 2 a s s e s s m e nt. W e a c hi e v e d br e a kt hr o u g h s i n t o xi c o ki n eti c m o d eli n g t hr o u g h a c o m bi n e d e x p eri m e nt al / m o d eli n g a p pr o a c h t h at pr o vi d e d a c c e s s t o di fi c ult s u b st a n c e s s u c h a s i o niz a bl e c h e mi c al s 2 7 3, 2 7 4 a n d a d a pt e d t o xi c ol o gi c al m o d el s y st e m s t o d e s cri b e A O P s f or c h e mi c al s. 2 7 5, 2 7 6 W e h a v e g ai n e d m e c h a ni sti c i n si g ht s i nt o c h e mi c al-i n d u c e d g e n er ati o n- bri d gi n g e pi g e n eti c m o di ff c ati o n s t h at c o n n e ct m at er n al e x p o s ur e t o p ht h al at e s a n d ot h er u bi q uit o u s p oll ut a nt s wit h a d v er s e h e alt h o ut c o m e s li k e a st h m a. 2 7 7 M or e o v er, w e e st a bli s h e d fir st e x p eri m e nt al s y st e m s t o el u ci d at e t h e r ol e of t h e e n d o g e n o u s mi cr o bi o m e f or t h e f at e a n d e fi e ct of c h e mi c al s2 7 8, 2 7 9 a n d h a v e i d e nti fi e d w a y s t o e x pl or e t h e e n vir o n m e nt al b e h a vi or of pl a sti c 2 8 0, 2 8 1 a n d t o a s s e s s m ulti pl e str e s s.2 8 2 I nfr a str u ct ur e s. W hil e a n al yti c al a n d i n vitr o t e sti n g pl atf or m s ar e w ell e st a bli s h e d at U F Z ( M et a Pr o, Pr o VI S, CI T E pr o) 2 8 3 w e n e e d t o e x p a n d o ur c a p a citi e s f or pr o s p e cti v e m ot h er- c hil d c o h ort st u di e s a n d hi g h-t hr o u g h p ut t e sti n g. F urt h er, w e will li ai s e wit h l ar g er- s c al e o b s er v ati o n i nfr a str u ct ur e s s u c h a s T E R E N O a n d M O S E S t o e st a bli s h a l a n d s c a p e l a b or at or y t o st u d y b e st m a n a g e m e nt pr a cti c e s. Fr o m t h e c oll a b or ati o n wit h R F H e alt h w e c a n pr o fit fr o m t h e pl atf or m f or a d v a n c e d i m a gi n g t e c h n ol o gi e s. U ni q u e n e s s. D uri n g t h e P o F III p eri o d t h e r e s e ar c h i nt o c h e mi c al s’ f at e a n d e fl e ct h a s e st a bli s h e d w ell-r e c - o g niz e d c oll a b or ati o n i n i nt er di s ci pli n ar y t e a m s fr o m c h e mi c al, bi ol o gi c al, t o xi c ol o gi c al, e c ol o gi c al a n d h e alt h s ci e n c e s. C o or di n ati o n a n d l e a d er s hi p i n v ari o u s E ur o p e a n l ar g e- s c al e r e s e ar c h pr oj e ct s ( e. g., S O L U TI O N S, O SI RI S) s u b st a nti at e a l e a di n g r e s e ar c h r ol e. T h e c o m bi n ati o n of c o n c e pt u al a p pr o a c h e s ( e x p o s o m e, A O P, e ff e ct- ori e nt e d m o nit ori n g) wit h a n al yti c al a n d bi o a n al yti c al i nfr a str u ct ur e s a n d e x p erti s e ar e u n pr e c e d e nt - e d i n E ur o p e. It i s vi si bl e i n E ur o p e a n n et w or k s f or i d e ntif yi n g s u b st a n c e s of e m er gi n g c o n c er n s u c h a s t h e N O R M A N n et w or k of r ef er e n c e l a b or at ori e s, t h e E ur o p e a n T o pi c C e nt er o n w at er or t h e h u m a n bi o m o nit ori n g 2 6 7 * Br a c k W, et al. 2 0 1 5. T h e S O L U TI O N S pr oj e ct: C h all e n g e s a n d r e s p o n s e s f or pr e s e nt a n d f ut ur e e m er gi n g p oll ut a nt s i n l a n d a n d w at er r e s o ur c e s m a n a g e m e nt. S ci T ot al E n vir o n. 5 0 3- 5 0 4: 2 2 – 3 1. 2 6 8 * L o m b ar d o A, et al. 2 0 1 4. O pti mizi n g t h e a q u ati c t o xi cit y a s s e s s m e nt u n d er R E A C H t hr o u g h a n i nt e gr at e d t e sti n g str at e g y (I T S). E n vir o n R e s. 1 3 5: 1 5 6 – 1 6 4. 2 6 9 * E s c h er BI, H a c k er m üll er J, P olt e T, S c h olz S, Ai g n er A, Alt e n b ur g er R, et al. 2 0 1 7. Fr o m t h e e x p o s o m e t o m e c h a ni sti c u n d er st a n di n g of c h e mi c al-i n d u c e d a d v er s e e fi e ct s. E n vir o n I nt. 9 9: 9 7 – 1 0 6. 2 7 0 *J a h n k e A, et al. 2 0 1 4. Sili c o n e p a s si v e e q uili bri u m s a m pl er s a s ' c h e m o m et er s' i n e el s a n d s e di m e nt s of a S w e di s h l a k e. E n vir o n- m e nt al S ci e n c e: Pr o c e s s e s & I m p a ct s. 1 6( 3): 4 6 4 – 4 7 2. 2 7 1 * H ar m s H, et al. 2 0 1 1. U nt a p p e d p ot e nti al: e x pl oiti n g f u n gi i n bi or e m e di ati o n of h az ar d o u s c h e mi c al s. N at ur e R e v Mi cr o bi o. 9: 1 7 7 – 1 9 2. 2 7 2 * L o m b ar d o A, et al. 2 0 1 4. O pti mizi n g t h e a q u ati c t o xi cit y a s s e s s m e nt u n d er R E A C H t hr o u g h a n i nt e gr at e d t e sti n g str at e g y (I T S). E n vir o n R e s. 1 3 5: 1 5 6 – 1 6 4. 2 7 3 * Fi s c h er F, et al. 2 0 1 7. M o d elli n g e x p o s ur e i n t h e T o x 2 1 i n vitr o bi o a s s a y s. C h e m R e s T o xi c ol. 3 0: 1 1 9 7 – 1 2 0 8. 2 7 4 * L ari s c h W, et al. 2 0 1 7. A t o xi c o ki n eti c m o d el f or ff s h i n cl u di n g m ulti p h a s e s or pti o n f e at ur e s. E n vir o n T o xi c ol C h e m. 3 6: 1 5 3 8 – 1 5 4 6. 2 7 5 * S c h üttl er A, et al. 2 0 1 9. M a p a n d m o d el — m o vi n g fr o m o b s er v ati o n t o pr e di cti o n i n t o xi c o g e n o mi c s. Gi g a S ci e n c e. 8: 1 – 2 2. 2 7 6 * S o b a n s k a M, et al. 2 0 1 8. A p pli c a bilit y of t h e fl s h e m br y o a c ut e t o xi cit y ( F E T) t e st ( O E C D 2 3 6) i n t h e r e g ul at or y c o nt e xt of R e gi str a- ti o n, E v al u ati o n, A ut h ori s ati o n, a n d R e stri cti o n of c h e mi c al s ( R E A C H). E n vir o n T o xi c ol C h e m. 3 7( 3): 6 5 7 – 6 7 0. 2 7 7 * Tr u m p S, et al. 2 0 1 6. Pr e n at al m at er n al str e s s a n d w h e ez e i n c hil dr e n: n o v el i n si g ht s i nt o e pi g e n eti c r e g ul ati o n. S ci R e p 6: 2 8 6 1 6. * B a u er T et al. 2 0 1 6. E n vir o n m e nt-i n d u c e d e pi g e n eti c r e pr o gr a m mi n g i n g e n o mi c r e g ul at or y el e m e nt s i n s m o ki n g m ot h er s a n d t h eir c hil dr e n. M ol e c ul ar S y st e m s Bi ol o g y. 1 2( 3): 8 6 1. 2 7 8 * M ar kl e, et al. 2 0 1 3. S e x Di fi er e n c e s i n t h e G ut Mi cr o bi o m e Dri v e H or m o n e- D e p e n d e nt R e g ul ati o n of A ut oi m m u nit y. S ci e n c e. 3 3 9: 1 0 8 4 – 1 0 8 8. 2 7 9 * O b er b a c h A, et al. 2 0 1 7. M et a b oli c i n vi v o l a b eli n g hi g hli g ht s di fi er e n c e s of m et a b oli c all y a cti v e mi cr o b e s fr o m m u c o s al g a str oi n- t e sti n al mi cr o bi o m e b et w e e n hi g h-f at a n d n or m al c h o w di et. J Pr ot e o m e R e s 1 6: 1 5 9 3 – 1 6 0 4. 2 8 0 * W a g n er S, R e e mt s m a T. 2 0 1 9. T hi n g s w e k n o w a n d w e d o n’t k n o w a b o ut n a n o pl a sti c i n t h e e n vir o n m e nt, N at ur e N a n ot e c h n ol o g y. 1 4: 3 0 0 – 3 0 3. 2 8 1 *J a h n k e A, et al. 2 0 1 7. R e d u ci n g u n c ert ai nt y a n d c o nfr o nti n g i g n or a n c e a b o ut t h e p o s si bl e i m p a ct s of w e at h eri n g pl a sti c i n t h e m ari n e e n vir o n m e nt. E n vir o n m e nt al S ci e n c e & T e c h n ol o g y L ett er s. 4: 8 5 – 9 0. 2 8 2 * Li e s s M, et al. 2 0 1 6. Pr e di cti n g t h e s y n er g y of m ulti pl e str e s s e fi e ct s. S ci e nti fi c R e p ort s 6: 3 2 9 6 5. 2 8 3 M et a Pr o: M et a b ol o mi c Pr o fil er, c e ntr al bi oi nf or m ati c s a n d ‘ o mi c s’ pl atf or m at U F Z; Pr o VI S: C e nt er f or vi s u aliz ati o n of bi o c h e mi- c al pr o c e s s e s o n c ell ul ar l e v el, U F Z pl atf or m f or c h e mi c al mi cr o s c o p y a n d m a s s s p e ctr o m etr y; CI T E Pr o: C h e mi c al s I n T h e E n vir o n - m e nt- Pr o fil er, ( bi o) a n al yti c al pl atf or m f or a hi g h-t hr o u g h p ut s cr e e ni n g of c h e mi c al s a n d e n vir o n m e nt al s a m pl e s. Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 3 7

T o pi c 9: O n e H e alt h y Pl a n et – D e v el o pi n g a n E x p o s o m e A p pr o a c h t o I nt e gr at e H u m a n a n d E n vir o n m e nt al H az ar d A s s e s s m e nt E n vir o n m e nt a n d H e alt h l e a d b y H G M U i n t h e Pr o gr a m E n vir o n m e nt al a n d M et a b oli c H e alt h ( E N A B L E). B ot h, t h e R F E & E a n d t h e R F H e alt h ( T o pi c ‘ E n vir o n m e nt a n d H e alt h’) will m o v e bi ol o gi c al pr o fili n g t o t h e p o p ul ati o n l e v el b y e x p a n di n g ‘ o mi c s’ t e c h ni q u e s t o m et a g e n o m e, m et a pr ot e o m e a n d m et a b ol o m e a p pr o a c h e s. C A R F M A C E t a k e s t h e l e a d er s hi p i n m ai n str e a mi n g e n vir o n m e nt al a s s e s s m e nt f or c o m pl e x e x p o s ur e sit u a - ti o n s a cr o s s di fi er e nt Pr o gr a m T o pi c s a n d t o w ar d s t h e R F H e alt h. T 9 will c o ntri b ut e a p pr o a c h e s f or t h e c o m- p o n e nt of m ulti pl e c h e mi c al e x p o s ur e a n d c o m bi n e d e fi e ct a s s e s s m e nt. U s e p att er n s of c h e mi c al s will b e c h a n gi n g wit h cli m at e c h a n g e a n d t h e C A R F HI- C A M o n cli m at e a d a pt ati o n a n d miti g ati o n a s w ell a s t h e C T A o n e xtr e m e e v e nt s will b e s u p p ort e d b y T 9 o n t hi s i s s u e. T h e l a n d s c a p e l a b or at or y i niti ati v e of T 9 will b uil d o n a n d c o ntri b ut e t o t h e j oi nt e ff ort s a n d e x p eri e n c e s of t h e o b s er v at ori e s i n t h e C T A s M O S E S a n d T E R E N O a n d stri v e s t o e x p a n d t h e s e f or i n cl u si o n of b e st m a n a g e m e nt pr a cti c e s. F or t h e C A R F R e sili e nt Ur b a n S p a c e s, T 9 will pr o vi d e t o ol s f or t h e i d e nti fi c ati o n of s o ur c e s of w at er a n d air p oll uti o n a n d e fi e ct- b a s e d m o nit ori n g str at - e gi e s, e. g., f or w at er r e u s e, w hil e w e n e e d g o v er n a n c e e x p erti s e r el e v a nt f or i m pl e m e nt ati o n. Tr a n sf er a n d c o ntri b uti o n t o S y n C o m. S y nt h e si s a cti viti e s ar e c e ntr al t o a c hi e v e t h e Pr o gr a m o bj e cti v e s. T 9 i n p arti c ul ar will c o ntri b ut e t h e d e v el o p e d h az ar d a s s e s s m e nt c o n c e pt s f or o bj e cti v e ( 9). T 9 will t a c kl e t h e c h all e n g e of c h e mi c al p oll uti o n f or pr o vi di n g cl e a n w at er a n d f o o d ( 7) a n d h e alt h y ur b a n s p a c e s ( 5), s af e- g u ar di n g e c o s y st e m s er vi c e s a n d bi o di v er sit y a g ai n st u ni nt e n d e d e fi e ct s ( 6). T 9 will s u p p ort t h e d e v el o p m e nt of m or e s u st ai n a bl e c h e mi c al s ( 8) b y e st a bli s hi n g crit eri a f or d e gr a d a bilit y. T h e ‘ O n e H e alt h’ p er s p e cti v e i n c oll a b or ati o n wit h t h e R F H e alt h will s p e ci fi c all y t ar g et st a k e h ol d er s i n di s e a s e pr e v e nti o n a cti viti e s. T 9 will c o ntri b ut e t h e tr a n sl ati o n of e x p o s o m e r e s e ar c h f or k n o wl e d g e c o m m u ni c ati o n a n d o utr e a c h. T hi s c o m pri s e s m a n a g e m e nt of h e alt h ri s k f a ct or s, t h e utiliz ati o n of di a g n o sti c h az ar d t o ol s i n c h e mi c al d e si g n a n d d e v el o p - m e nt of bi o e c o n o m y pr o d u ct s a n d al s o f or f ut ur e m o nit ori n g str at e gi e s. M or e o v er, S y n C o m i n str u m e nt s s u c h a s t a s k f or c e s u p p ort a n d st a k e h ol d er di al o g u e c a n b e e nri c h e d fr o m T 9 e x p eri e n c e s i n st a k e h ol d er p arti ci p a - ti o n w hi c h m a y c o n v e y s ol uti o n- ori e nt e d r e g ul ati o n a n d m a n a g e m e nt pr a cti c e. T a bl e 9. 1: Str at e gi c P art n er s. N a m e Fi el d of c o o p er ati o n J oi nt e fl ort s R e s e ar c h N et w or k s N O R M A N ( n or m a n- n et w or k. n et) H B M 4 E U ( w w w. h b m 4 e u. e u) C hil dr e n C o h ort St u di e s LI F E C hil d / U ni v er sit y of L ei pzi g, K U N O Ki d s / U ni v. R e g e n s b ur g, KI G G S / R o b ert- K o c h I n stit ut e / B erli n, G e n er ati o n R, R ott er d a m H u m a n a n d w at er m o nit ori n g of c h e mi c al s M o nit ori n g str at e g y d e v el o p m e nt a n d a p pli c ati o n c a s e s C o nti n u ati o n of m ot h er- c hil d c o h ort r e cr uit m e nt, i nt e gr ati o n of m e d- i c al a n d e n vir o n m e nt al e x p o s ur e p er s p e cti v e s E st a bli s hi n g a n e x p o s o m e a p pr o a c h i n t h e c o nt e xt of ot h er p ot e nti al str e s s or s s u c h a s s o ci al f a ct or s, b e h a vi or, all er g e n s E nt er pri s e s e. g., L’ Or é al, B a y er, V e oli a N o n- a ni m al t e sti n g str at e gi e s Pr ot o c ol d e v el o p m e nt f or r e g ul at or y t e sti n g a n d s ur v eill a n c e m o nit ori n g F e d er al R e s e ar c h I n stit uti o n s U B A, Bf R, U S- E P A, E n vir o n m e nt C a n a d a D at a a s s e s s m e nt, d at a a c c e s si bilit y; s c h e m e s f or r e g ul at or y i n n o v ati o n E v e nt- b a s e d m o nit ori n g, s o ur c e i d e nti ff c ati o n, e c o- e x p o s o m e c a s e st u di e s, d at a r e p o sit ori e s P art n er s i n Tr a n sl ati o n al W or k E ur o p e a n E n vir o n m e nt A g e n c y, P E E R – P art n er s hi p f or E ur o p e a n E n vir o n m e nt al R e s e ar c h St at u s r e p orti n g, l e s s o n s l e ar n e d E ur o p e a n w at er q u alit y i nt er pr et ati o n a n d m a p pi n g pr oj e ct s Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. 2 3 9

Li st of A b br e vi ati o n s a n d A cr o n y m s * [ U C]² 7 9 N G A A D A A RI A B C /J A C C A C E- F T S A C R O S S S y m b ol i n di c ati n g p u bli c ati o n s of Pr o gr a m m e m b er s, s e e f o ot n ot e s of T o pi c t e xt s Ur b a n cli m at e m o d el a n d o b s er v ati o n pr o gr a m, B M B F pr o gr a m 7 9 N ort h Gl a ci er A u str ali a n A nt ar cti c Di vi si o n Ar cti c a n d A nt ar cti c R e s e ar c h I n stit ut e, R u s si a G e o s ci e nti fi c n et w or k of t h e A a c h e n- B o n n- C ol o g n e /J üli c h r e s e ar c h ar e a A nt ar cti c Cir c u m p ol ar C urr e nt At m o s p h eri c C h e mi str y E x p eri m e nt wit h a F o uri er Tr a n sf or m S p e ctr o m et er A d v a n c e d R e m ot e S e n si n g – Gr o u n d- Tr ut h D e m o a n d T e st F a ciliti e s, H el m h oltz-f u n d e d pr oj e ct o p er at e d b y KI T A er o s ol s, Cl o u d s a n d Tr a c e G a s e s R e s e ar c h I nfr a str u ct ur e, o n E S F RI R o a d m a p A mi n o Di nitr ot ol u e n e A d v a n c e d T e c h n ol o gi e s f or N a vi g ati o n a n d G e o d e s y, H el m h oltz-f u n d e d pr oj e ct o p er at e d b y D L R a n d G F Z Al b ert Ei n st ei n I n stit ut e, M a x Pl a n c k I n stit ut e f or Gr a vit ati o n al P h y si c s H el m h oltz I nt er n ati o n al L a b or at or y A gri c ult ur al M e s o c o m s F a cilit y Arti fi ci al I nt elli g e n c e A er o s ol I nt er a cti o n a n d D y n a mi c s i n t h e At m o s p h er e, KI T I nfr a str u ct ur e E x p a n si o n of AI D A L o c al H AI C U h u b, h o st e d at H Z G A n al y si s, I nt e gr ati o n a n d M o d elli n g of t h e E art h S y st e m, gl o b al r e s e ar c h pr oj e ct of F ut ur e E art h At m o s p h eri c I nfr ar e d S o u n d er A d a pti v e L a b or at or y E v ol uti o n Ar cti c Lit h o s p h er e- O c e a n I nt er a cti o n St u d y Atl a nti c M ulti d e c a d al O s cill ati o n Atl a nti c M eri di o n al O v ert ur ni n g Cir c ul ati o n A g e n c e n ati o n al e p o ur l a g e sti o n d e s d é c h et s, Fr e n c h n ati o n al r a di o a cti v e w a st e m a n a g e m e nt a g e n c y A o n W e at h er & Cli m at e Ri s k I n n o v ati o n N et w or k A d v er s e O ut c o m e P at h w a y A p pli c ati o n Pr o gr a m mi n g I nt erf a c e A d v a n c e d Pr e di cti o n i n P ol ar r e gi o n s a n d b e y o n d: M o d elli n g, o b s er vi n g s y st e m d e si g n a n d LI n k - a g e s a s s o ci at e d wit h Ar cti C Cli m A T E c h a n g e, E U H oriz o n 2 0 2 0 pr oj e ct A u g m e nt e d R e alit y / Virt u al R e alit y A ut o n o m o u s R o b oti c N et w or k s t o H el p M o d er n S o ci eti e s, P o F I V C A R F A ut o n o m o u s R o b oti c s e a- fi o or I nfr a str u ct ur e f or b e nt h o- p el a gi c M o nit ori n g A s s o ci ati o n of S o ut h e a st A si a n N ati o n s A s s o ci ati o n of E ur o p e a n M ari n e Bi ol o gi c al R e s e ar c h L a b or at ori e s E x p a n d e d Ar cti c St u d y of Tr o p o s p h eri c A er o s ol a n d R a di ati o n A si a n Tr o p o p a u s e A er o s ol L a y er At m o s p h er e a n d Cli m at e, H el m h oltz Pr o gr a m i n P o F III At m o s p h eri c D at a M a n a g e m e nt H u b i n R F E & E S at ellit e f or At m o s p h eri c R e s e ar c h, pl a n n e d H el m h oltz Str at e gi c D e v el o p m e nt I n v e st m e nt, pl a n n e d f or s u b mi s si o n A Tl a nti c W At er p at h w a y s t o t h e I C E i n t h e N a n s e n B a si n a n d Fr a m Str ait A ut o n o m o u s U n d er w at er V e hi cl e R W T H A a c h e n Pr o c e s s E n gi n e eri n g A C T RI S- D A D N T A D V A N T A G E A EI A er o H E A L T H A G R A SI M AI AI D A AI D A- d y n a mi c s AI M AI M E S AI R S A L E A L OI S A M O A M O C A N D R A A O N A O P A PI A P P LI C A T E A R / V R A R C H E S A RI M A S E A N A S S E M B L E A S T A R A T A L A T M O / A T M O- KI T A T M O- H U B At m o S at A T M O s e n s e A T W AI C E A U V A V T Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. VII

A b br e vi ati o n s a n d A cr o n y m s C H A M P CI A T CI T E pr o C L a M S C LI B 2 0 2 1 Cli C C S Cli m Xtr e m e C M E M S C MI P C MI P 6 C N R-I G G C O P E R NI C U S C O R D E X C O S MI C- 1 / 2 C O S M O- A R T C O S M U S C O S P A R C O S Y N A C RI S P R- C a s Cr o s sI n n Cr y o S at C S M C S M P + + C S P C T A C T B T O C V O O C Z E N C Z O D D A C CI W A D A M D A N U BI U S- RI ( E S F RI) D A S D B F Z D E d e. N BI D E C O V A L E X D E P A S D E S A D E S T R E S S D E S Y D F G D F O DI C D K K D K R Z C h all e n gi n g Mi ni s at ellit e P a yl o a d I nt er n ati o n al C e nt er f or Tr o pi c al A gri c ult ur e, C ol o m bi a, a C GI A R I n stit ut e CI T E Pr o: C h e mi c al s I n T h e E n vir o n m e nt- Pr o fil er, ( bi o) a n al yti c al pl atf or m f or a hi g h-t hr o u g h p ut s cr e e ni n g of c h e mi c al s a n d e n vir o n m e nt al s a m pl e s, o p er at e d b y U F Z C h e mi c al L a gr a n gi a n M o d el of t h e Str at o s p h er e Cl u st er I n d u stri ell e Bi ot e c h n ol o gi e e. V. Cli m at e, Cli m ati c C h a n g e, a n d S o ci et y, Cl u st er of E x c ell e n c e, D F G-f u n d e d Cli m at e C h a n g e a n d E xtr e m e E v e nt s, B M B F F u n di n g Pri orit y C o p er ni c u s M ari n e E n vir o n m e nt M o nit ori n g S er vi c e C o u pl e d M o d el I nt er c o m p ari s o n Pr oj e ct of t h e W C R P Cli m at e M o d el I nt er c o m p ari s o n Pr oj e ct 6 f or I P C C N ati o n al R e s e ar c h C o u n cil of It al y f or G e o s ci e n c e s a n d E art h R e s o ur c e s E ur o p e a n E art h O b s er v ati o n Pr o gr a m C o or di n at e d R e gi o n al Cli m at e D o w n s c ali n g E x p eri m e nt C o n s t ell ati o n O b s er vi n g S y st e m f or M et e or ol o g y, I o n o s p h er e, a n d Cli m at e - J oi nt T ai w a n- U. S. s at ellit e s C O S M O- A er o s ol s a n d R e a cti v e Tr a c e S p e ci e s M o d ul e C o nti n e nt al S h elf M ulti di s ci pli n ar y fi u x St u d y C o m mitt e e of S p a c e R e s e ar c h C o a st al O b s er vi n g S y st e m f or N ort h er n a n d Ar cti c S e a s Cl u st er e d R e g ul arl y I nt er s p a c e d S h ort P ali n dr o mi c R e p e at s / C RI S P R a s s o ci at e d n u cl e a s e s, t o ol f or g e n eti c e n gi n e eri n g Cr o s s- v all e y fi o w i n t h e I n n V all e y, i n v e sti g at e d b y d u al- D o p pl er- Li d ar M e a s ur e m e nt s E S A s at ellit e mi s si o n t o m o nit or t h e t hi c k n e s s of l a n d i c e a n d s e a i c e C e ntr e S ci e nti ff q u e d e M o n a c o Fi nit e el e m e nt a n d fi nit e v ol u m e b a s e c o d e Cli m at e S er vi c e P art n er s hi p Cr o s s- T o pi c A cti vit y C o m pr e h e n si v e T e st B a n Tr e at y Or g a niz ati o n C a p e V er d e O c e a n O b s er v at or y Cr iti c al Z o n e E x pl or ati o n N et w or k Cr iti c al Z o n e O b s er v at ori e s D eli v er a bl e D y n a mi c s- A er o s ol- C h e mi str y- Cl o u d I nt er a cti o n s o v er W e st Afri c a, E U-f u n d e d pr oj e ct D e ut s c h e Alli a nz f ür M e er e sf or s c h u n g – G er m a n Alli a n c e of M ari n e R e s e ar c h I nt er n ati o n al C e ntr e f or A d v a n c e d St u di e s o n Ri v er- S e a S y st e m s Di stri b ut e d A c o u sti c S e n si n g D e ut s c h e s Bi o m a s s ef or s c h u n g sz e ntr u m, G er m a n Bi o m a s s R e s e ar c h C e nt er Di git al E art h, C T A of t h e R F E & E G er m a n N ati o n al Bi oi nf or m ati c s I nfr a str u ct ur e D E v el o p m e nt of C O u pl e d m o d el s a n d t h eir V A Li d ati o n a g ai n st E x p eri m e nt s, B e n c h m ar ki n g Pr oj e ct D e ut s c h er G er ät e- P o ol f ür a m p hi bi s c h e S ei s m ol o gi e, G er m a n i n str u m e nt p o ol f or a m p hi bi a n s ei s m ol o g y D e ut s c h e Er d S y st e m Alli a nz – G er m a n E art h S y st e m Alli a n c e D e m o n s tr ati o n of s oft sti m ul ati o n tr e at m e nt s of g e ot h er m al r e s er v oir s, E U H oriz o n 2 0 2 0 pr oj e ct D e ut s c h e s El e ktr o n e n- S y n c hr otr o n, H a m b ur g, m e m b er of t h e H el m h oltz A s s o ci ati o n D e ut s c h e F or s c h u n g s g e m ei n s c h aft, G er m a n R e s e ar c h F o u n d ati o n D e p art m e nt of Fi s h eri e s a n d O c e a n s, C a n a d a Di s s ol v e d I n or g a ni c C ar b o n D e ut s c h e s Kli m a- K o n s orti u m, G er m a n Cli m at e C o n s orti u m D e ut s c h e s Kli m ar e c h e nz e ntr u m, G er m a n Cli m at e C o m p uti n g C e ntr e Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. I X

A b br e vi ati o n s a n d A cr o n y m s E n er g y S y st e m D e si g n, Pr o gr a m of t h e R F E n er g y i n P o F I V E ur o p e a n Str at e g y F or u m of R e s e ar c h I nfr a str u ct ur e s E art h S y st e m Gri d F e d er ati o n E art h S y st e m K n o wl e d g e Pl atf or m A d v a n c e d E art h S y st e m M o d eli n g C a p a cit y, C T A of t h e R F E & E E art h S y st e m S ci e n c e D at a E s s e nti al S oil V ari a bl e s E ur o p e a n T o pi c C e ntr e o n I nl a n d, C o a st al a n d M ari n e w at er s E ur o p e a n U ni o n E ur o p e a n P ol ar Str at o s p h eri c Cl o u d a n d L e e- w a v e E x p eri m e nt E ur o p e a n J oi nt R e s e ar c h Pr o gr a m f or M a n a g e m e nt a n d Di s p o s al of R a di o a cti v e W a st e R h e ni s h I n stit ut e f or E n vir o n m e nt al R e s e ar c h at t h e U ni v er sit y of C ol o g n e I nt e gr ati o n of E ur o p e a n Si m ul ati o n C h a m b er s f or I n v e sti g ati n g At m o s p h eri c Pr o c e s s e s, E U- f u n d e d pr oj e ct E ur o p e a n Gl o b al O c e a n O b s er vi n g S y st e m, e x p eri m e nt al st u d y of e c ol o gi c al pr o c e s s e s i n c o a st al a n d s h elf w at er s Fl u or e s c e n c e- A cti v at e d C ell S orti n g Fi n d a bl e, A c c e s si bl e, I nt er o p er a bl e, R e- u s a bl e, pri n ci pl e s g o v er ni n g d at a ar c hi v al a n d di stri b uti o n F o o d a n d A gri c ult ur e Or g a niz ati o n of t h e U nit e d N ati o n s I nt er n ati o n al F e d er ati o n of Di git al S ei s m o gr a p h N et w or k s Fi nit e- El e m e nt / V ol u m e S e a I c e O c e a n M o d el Fi nit e El e m e nt / V ol u m e S e a I c e O c e a n M o d el – R e g ul at e d E c o s y st e m M o d el F or s c h u n g si nfr a str u kt ur e n, R e s e ar c h I nfr a str u ct ur e s Fl u or e s c e n c e I n Sit u H y bri diz ati o n Fl u or e s c e n c e E x pl or er; E S A- E art h E x pl or er s at ellit e mi s si o n I n str u m e nt ati o n f or v erti c al pr o fili n g of t ur b ul e nt fi u x e s Gl o b al a s s o ci ati o n of gr e e n h o u s e g a s fi u x o b s er v ati o n n et w or k s Fl e xi bl e O c e a n Cli m at e I nfr a str u ct ur e F or s c h u n g f ür N a c h h alti g e E nt wi c kl u n g, R e s e ar c h f or S u st ai n a bl e D e v el o p m e nt, B M B F pr o gr a m F or s c h u n g s p oliti s c h e Zi el e, Str at e gi c G ui d eli n e s B M B F I n di vi d u al- B a s e d V e g et ati o n M o d el f or F or e st s 7 t h E U Fr a m e w or k Pr o gr a m f or R e s e ar c h a n d T e c h n ol o gi c al D e v el o p m e nt Fr o nti er s i n Ar cti c M ari n e M o nit ori n g, Ar cti c l o n g-t er m o b s er v at or y F ör st er R e s o n a n c e E n er g y Tr a n sf er Fil c h n er- R o n n e I c e S h elf F ull- Ti m e E q ui v al e nt s F o uri er Tr a n sf or m-I o n C y cl otr o n R e s o n a n c e- M a s s S p e ctr o m et er F o uri er Tr a n sf or m I nfr ar e d S p e ctr o s c o p y Fr ei e U ni v er sit ät B erli n F or s c h u n g sz e ntr u m J üli c h, R e s e ar c h C e nt er J üli c h, m e m b er of t h e H el m h oltz A s s o ci ati o n Gl o b al At m o s p h eri c W at c h Gl o b al C h a n g e E x p eri m e nt al F a cilit y, o p er at e d b y U F Z G e n er al Cir c ul ati o n M o d el G e e st h a c ht C o a st al M o d el Fr a m e w or k Gl o b al Cli m at e O b s er vi n g S y st e m G er m a n D e m o cr ati c R e p u bli c Gl o b al E mi s si o n s I niti Ati v e G e ot h er m al E n gi n e eri n g I nt e gr ati n g Miti g ati o n of I n d u c e d S ei s mi cit y i n R e s er v oir s Gl o b al E art h q u a k e M o d el C o o p er ati o n i n G e ot h er m al e n er g y r e s e ar c h E ur o p e- M e xi c o f or d e v el o p m e nt of E n h a n c e d G e o - E S D E S F RI E S G F E S K P E S M E S S D E S V E T C-I C M E U E u P L E x E U R A D E U R A D-I M E U R O C H A M P E ur o G O O S F A C S F AI R F A O F D S N F E S O M F E S O M- R e c o M FI S FI S H F L E X F L U X c u b e F L U X N E T F O CI F O N A F o P o Z F O R MI N D F P 7 F R A M F R E T F RI S F T E F T-I C R- M S F TI R F U B erli n F ZJ G A W G C E F G C M G C O A S T G C O S G D R G EI A G EI S E R G E M G E M e x Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. XI

A b br e vi ati o n s a n d A cr o n y m s H el m h oltz C o a st al D at a C e nt er at H Z G Hi g h D e fi niti o n Cl o u d s a n d Pr e ci pit ati o n f or A d v a n c e d Cli m at e Pr e di cti o n, B M B F R e s e ar c h I niti a - ti v e H el m h oltz Ei n st ei n I nt er n ati o n al B erli n R e s e ar c h S c h o ol i n D at a S ci e n c e B alti c M ari n e E n vir o n m e nt Pr ot e cti o n C o m mi s si o n ( H el si n ki C o m mi s si o n) H el m h oltz L a b or at or y of t h e G e o c h e mi str y of t h e E art h S urf a c e H el m h oltz- G e m ei n s c h aft D e ut s c h er F or s c h u n g sz e ntr e n, H el m h oltz A s s o ci ati o n of G er m a n R e s e ar c h C e nt er s H el m h oltz I niti ati v e o n Cli m at e A d a pt ati o n a n d Miti g ati o n H el m h oltz-I n stit ut e Cli m at e S er vi c e S ci e n c e H el m h oltz I nf or m ati o n & D at a S ci e n c e A c a d e m y, I n c u b at or Pr oj e ct H el m h oltz F e d er at e d I D S er vi c e s H el m h oltz I n stit ut e f or F u n cti o n al M ari n e Bi o di v er sit y Hi g h-r e s ol uti o n M o d el I nt er c o m p ari s o n Pr oj e ct H el m h oltz I m a gi n g Pl atf or m, I n c u b at or Pr oj e ct Hi g h I m p a ct W e at h er Pr oj e ct N ort h- G er m a n S u p er c o m p uti n g Alli a n c e H el m h oltz Z e ntr u m M ü n c h e n, t h e G er m a n R e s e ar c h C e nt er f or E n vir o n m e nt al H e alt h, m e m b er of t h e H el m h oltz A s s o ci ati o n Hi g hl y O xi diz e d M ol e c ul e s H a m b ur g P ort A ut h orit y Hi g h- P erf or m a n c e C o m p uti n g H el m h oltz P art n er s hi p f or Pl a nt S ci e n c e s Hi g h- P erf or m a n c e S ci e nti fi c C o m p uti n g Hi g h- T hr o u g h p ut ( S cr e e ni n g) Fl ui d pr o p ert y c o d e H u m b ol dt- U ni v er sit ät z u B erli n H el m h oltz C e ntr e Dr e s d e n- R o s s e n d orf, m e m b er of t h e H el m h oltz A s s o ci ati o n H el m h oltz Z e ntr u m G e e st h a c ht - C e ntr e f or M at eri al s a n d C o a st al R e s e ar c h, m e m b er of t h e H el m h oltz A s s o ci ati o n I n stit ut e of C o a st al R e s e ar c h at H Z G I nt er n ati o n al Ar cti c B u o y Pr o gr a m s I nt er n ati o n al A s s o ci ati o n of G e o d e s y I nt er n ati o n al A s s o ci ati o n of G e o m a g n eti s m a n d A er o n o m y I n- s ervi c e Air cr aft f or a Gl o b al O b s er vi n g S y st e m, E U- / B M B F-f u n d e d J oi nt R e s e ar c h a n d I nfr a - str u ct ur e Pr oj e ct C A RI BI C C o m p o n e nt of I A G O S C O R E C o m p o n e nt of I A G O S I nt er n ati o n al A s s o ci ati o n of M et e or ol o g y a n d At m o s p h eri c S ci e n c e s I nt er n ati o n al A s s o ci ati o n of S ei s m ol o g y a n d P h y si c s of t h e E art h’ s I nt eri or I n d u stri al Bi ot e c h n ol o g y I n n o v ati o n a n d S y nt h eti c Bi ol o g y A c c el er at or I nt er n ati o n al C o nti n e nt al Drilli n g Pr o gr a m I nt e gr ati n g Cli m at e a n d E c o s y st e m D y n a mi c s i n t h e S o ut h er n O c e a n I nt er n ati o n al C o u n cil f or t h e E x pl or ati o n of t h e S e a I nter g o v er n m e nt al C o or di n ati o n Gr o u p f or t h e I n di a n O c e a n Ts u n a mi W ar ni n g a n d Miti g ati o n S y st e m I nter g o v er n m e nt al C o or di n ati o n Gr o u p f or t h e Ts u n a mi E arl y W ar ni n g a n d Miti g ati o n S y st e m i n t h e N ort h- E a st er n Atl a nti c, t h e M e dit err a n e a n a n d c o n n e ct e d s e a s I nt er n ati o n al C e nt er f or Gl o b al E art h M o d el s I c o s a h e dr al N o n- h y dr o st ati c G e n er al Cir c ul ati o n M o d el I C O N- A cti vit y A er o s ol s a n d R e a cti v e Tr a c e S p e ci e s I C O N- A cti vit y Cli m at e Li mit e d- ar e a M o d elli n g H C D C H D( C P) 2 H EI B Ri D S H E L C O M H E L G E S H G F HI- C A M HI C S S HI D A HI FI S HI F M B Hi g h R e s MI P HI P HI- W e at h er H L R N H M G U H O M H P A H P C H P- P S H P S C H T( S) H T 2 _ s alt H U B erli n H Z D R H Z G H Z G /If K I A B P I A G I A G A I A G O S ( E S F RI) I A G O S- C A RI BI C I A G O S- C O R E I A M A S I A S P EI I BI S B A I C D P I C E D I C E S I C G /I O T W M S I C G / N E A M T W S I C G E M I C O N I C O N- A R T I C O N- C L M Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. XIII

A b br e vi ati o n s a n d A cr o n y m s I nt er n ati o n al S e a b e d A ut h orit y I nt er n ati o n al S u st ai n a bl e C h e mi str y C oll a b or ati v e C e ntr e I nf or m ati o n S y st e m a n d D at a C e nt er I nt er n ati o n al S oil M o d elli n g C o n s orti u m I c el a n d G e o S urv e y I nt er n ati o n al S p a c e S ci e n c e I n stit ut e I nt er n ati o n al T h w ait e s Gl a ci er C oll a b or ati o n I nt er n ati o n al T err e stri al R ef er e n c e Fr a m e I nt er n ati o n al V L BI S er vi c e f or G e o d e s y a n d A str o m etr y J oi nt E ur o p e a n R e s e ar c h I nfr a str u ct ur e f or C o a st al O b s er v ati o n J oi nt L a b E x a s c al e E art h S y st e m M o d eli n g J üli c h Mi cr o bi al P h e n ot y pi n g C e nt er J üli c h O b s er v at or y f or Cl o u d E v ol uti o n E U J oi nt Pr o gr a m mi n g I niti ati v e ‘ C o n n e cti n g Cli m at e K n o wl e d g e f or E ur o p e’ E U J oi nt Pr o gr a m mi n g I niti ati v e ‘ H e alt h y a n d Pr o d u cti v e S e a s a n d O c e a n s’ J et Pr o p ul si o n L a b or at or y J üli c h Pl a nt P h e n ot y pi n g C e nt er J üli c h S u p er c o m p uti n g C e nt er Pr oj e ct wit h S A P HI R K o n s orti u m D e ut s c h e M e er e sf or s c h u n g, C o n s orti u m of G er m a n M ari n e R e s e ar c h Kr e dit a n st alt f ür Wi e d er a uf b a u, G er m a n st at e- o w n e d d e v el o p m e nt b a n k Ki el M ari n e Or g a ni s m C ult ur e C e ntr e K arl sr u h e I n stit ut e of T e c h n ol o g y, T h e R e s e ar c h U ni v er sit y i n t h e H el m h oltz A s s o ci ati o n K arl sr u h e O b s er v at or y f or C o n v e cti o n St u di e s Ki el O fi- S h or e M e s o c o s m s f or O c e a n Si m ul ati o n s K n o wl e d g e Tr a n sf er G er m a n c o nti n e nt al d e e p drilli n g pr o gr a m K n o wl e d g e a n d T e c h n ol o g y Tr a n sf er V er b u n d D e ut s c h e K ü st e nf or s c h u n g – N or d s e e u n d O st s e e, j oi nt r e s e ar c h pr o gr a m e n c o m - p a s si n g t w el v e c oll a b or ati v e pr oj e ct s i n c o a st al a n d s h elf r e s e ar c h i n t h e N ort h a n d B alti c S e a, B M B F-f u n d e d Bi o g e o c h e mi str y a n d e c o s y st e m d y n a mi c s m o d el M o d ul ar si m ul at or f or a gri c ult ur al l a n d s c a p e s u n d er tr a n siti o n M o d ul ar Si m ul at or of Tr a n siti o n s f or s u st ai n a bl e m ultif u n cti o n al l a n d s c a p e s of t h e f ut ur e L a b or at oir e d e Gl a ci ol o gi e et G é o p h y si q u e d e l’ E n vir o n n e m e nt, Fr a n c e L ei st u n g s k at e g ori e 1, H el m h oltz c at e g or y ( of a cti viti e s) I = i n- h o u s e r e s e ar c h L ei st u n g s k at e g ori e 2, H el m h oltz c at e g or y ( of a cti viti e s) II = o p er ati o n of L ar g e- S c al e I nfr a str u c - t ur e s / F a ciliti e s Li n k e d o p e n d at a L u n d- P ot s d a m-J e n a, G e n er al E c o s y st e m Si m ul at or, d y n a mi c v e g et ati o n m o d el C o n v e nti o n o n L o n g- R a n g e Tr a n s b o u n d ar y Air P oll uti o n L o n g- T er m E c o s y st e m R e s e ar c h L o n g- T er m O b s er v at or y L a n d U s e a n d Cli m at e A cr o s s S c al e s L a n d U s e C h a n g e: A s s e s si n g t h e W et Cli m at e F or ci n g, a n d O pti o n s f or Cli m at e C h a n g e Miti g a - ti o n a n d A d a pt ati o n, E U-f u n d e d pr oj e ct M o d eli n g pl atf or m Mil e st o n e M ai n str e a mi n g E n vir o n m e nt al A s s e s s m e nt f or C o m pl e x E x p o s ur e, P o F I V C A R F M ari n e, C o a st al a n d P ol ar S y st e m s, R e s e ar c h Pr o gr a m m e ( 2 0 0 4 – 2 0 0 8) H el m h oltz S c h o ol f or M ari n e D at a S ci e n c e C o a st al, M ari n e a n d P ol ar R e s e ar c h f or S u st ai n a bilit y Pr o gr a m, B M B F-f u n d e d I S A I S C- 3 I S D C I S M C i S O R I S SI I T G C I T R F I V S J E RI C O J L- E x a E S M J M P C J O Y C E J PI Cli m at e J PI O c e a n s J P L J P P C J S C J U LI A C F ZJ K D M Kf W KI M O C C KI T KI T C u b e K O S M O S K T K T B K T T K ü N O L a n d s c a p e D N D C L a n d Tr a n s A G RI L a n d Tr a n s L G G E L KI L KII L O D L PJ- G U E S S L R T A P L T E R L T O L U C A S L U V 4 C L Y N X M M A C E M A R C O P O LI M ar D A T A M A R E: N Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. X V

A b br e vi ati o n s a n d A cr o n y m s A b br e vi ati o n s a n d A cr o n y m s N ati o n al e F or s c h u n g s d at e ni nfr a str u kt ur, N ati o n al R e s e ar c h D at a I nfr a str u ct ur e N ati o n al R e s e ar c h D at a I nfr a str u ct ur e f or E art h S y st e m R e s e ar c h Ni p p o n F o u n d ati o n P art n er s hi p f or O b s er v ati o n of t h e Gl o b al O c e a n C e ntr e of E x c ell e n c e N o n- g o v er n m e nt al or g a niz ati o n N e xt G e n er ati o n Pr o c e s si n g a n d Pr o d u ct s, Pil ot Bi or e fi n er y at R W T H A a c h e n N ati o n al I n stit ut e of E n vir o n m e nt al H e alt h S ci e n c e s, U S A K o ni n klij k N e d erl a n d s I n stit u ut v o or O n d er z o e k d er Z e e, R o y al N et h erl a n d s I n stit ut e f or S e a R e s e ar c h N u cl e ar M a g n eti c R e s o n a n c e N ati o n al O c e a ni c a n d At m o s p h eri c A d mi ni str ati o n, U S A N ati o n al O c e a n o gr a p h y C e ntr e, U K N et w or k of r ef er e n c e l a b or at ori e s, r e s e ar c h c e ntr e s a n d r el at e d or g a ni s ati o n s f or m o nit ori n g of e m er gi n g e n vir o n m e nt al s u b st a n c e s N e u m a y er St ati o n III N ati o n al S ci e n c e F o u n d ati o n, U S A N ati o n al S ci e n c e a n d T e c h n ol o g y D e v el o p m e nt A g e n c y of T h ail a n d E U-f u n d e d Pr oj e ct o n p er m afr o st a n d s o ci al i m p a ct, c o or di n at e d b y A WI N u cl e ar W a st e M a n a g e m e nt, S af et y, a n d R a di ati o n R e s e ar c h, Pr o gr a m wit hi n R F E n er g y Ni e d er s ä c h si s c h er L a n d e s b etri e b f ür W a s s er wirt s c h aft, K ü st e n- u n d N at ur s c h utz, L o w er S a x o n St at e D e p art m e nt f or W at er w a y, C o a st al a n d N at ur e C o n s er v ati o n O b s er v ati o n t o Ar c hi v e O c e a n B ott o m H y dr o p h o n e s O c e a n B ott o m S ei s m o m et er s O c e a n Di s c o v er y Pr o gr a m Or g a ni s ati o n f or E c o n o mi c C o- o p er ati o n a n d D e v el o p m e nt Ot h er E fi e cti v e C o n s er v ati o n M e a s ur e s O c e a n F a ciliti e s E x c h a n g e Gr o u p O p e n I nt e gr at e d F or e c a sti n g S y st e m O p e n- s o ur c e i niti ati v e f or n u m eri c al si m ul ati o n O b s er v at ori e s & R e s e ar c h F a ciliti e s f or E ur o p e a n S ei s m ol o g y C o n v er si o n Pr o c e s s O c e a n S ci e n c e C e nt er Mi n d el o, C a p e V er d e O pti miz e d Str at e gi e s f or Ri s k A s s e s s m e nt of I n d u stri al C h e mi c al s t hr o u g h I nt e gr ati o n of N o n- T e st a n d T e st I nf or m ati o n, E U-f u n d e d pr oj e ct O v ert ur ni n g i n t h e S u b p ol ar N ort h Atl a nti c Pr o gr a m O b s er v ati o n S y st e m Si m ul ati o n E x p eri m e nt s P ol ar r e gi o n s A n d C o a st s i n t h e c h a n gi n g E art h S y st e m, H el m h oltz Pr o gr a m i n P o F III P er e n ni al A c o u sti c O b s er v at or y i n t h e A nt ar cti c O c e a n P ar all eliz e d L ar g e- E d d y Si m ul ati o n M o d el P A L M M o d ul e f or Ur b a n R e s e ar c h P al e o M o d elli n g – Fr o m t h e L a st I nt er gl a ci al t o t h e A nt hr o p o c e n e – M o d eli n g a C o m pl et e Gl a ci al C y cl e, G er m a n Cli m at e M o d eli n g I niti ati v e, B M B F-f u n d e d pr oj e ct P ol ar Air b or n e M e a s ur e m e nt s a n d Ar cti c R e gi o n al Cli m at e M o d el Si m ul ati o n Pr oj e ct P ol ar A m pli fi c ati o n M o d el I nt er c o m p ari s o n P A N- Ar cti c I nf or m ati o n S y st e m o n Ar cti c Bi ot a D at a P u bli s h er f or E art h & E n vir o n m e nt al S ci e n c e Pr o gr a m B o ar d of t h e Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’ ( R F E & E) Pl at e B o u n d ar y O b s er v at or y P h y si ol o gi c all y B a s e d T o xi c o ki n eti c P ar all el D at a A s si mil ati o n Fr a m e w or k P art n er s hi p f or E ur o p e a n E n vir o n m e nt al R e s e ar c h N F DI N F DI 4 E art h N F- P O G O C of E N G O N G P² NI E H S NI O Z N M R N O A A N O C N O R M A N N S N S F N S T D A N U N A T A R Y U K N U S A F E N W K L N O 2 A O B H O B S O D P O E C D O E C M O F E G O p e n I F S O p e n G e o S y s O R F E U S Or g a n C at O S C M O SI RI S O S N A P O S S E P A C E S II P A L A O A P A L M P A L M- 4 U P al M o d P A M A R C Mi P P A MI P P A N A BI O P A N G A E A P B P B O P B T K P D A F P E E R Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. X VII

A b br e vi ati o n s a n d A cr o n y m s A b br e vi ati o n s a n d A cr o n y m s R e s e ar c h V e s s el H ei n c k e R e s e ar c h V e s s el P ol ar st er n R h ei ni s c h W e stf äli s c h e T e c h ni s c h e H o c h s c h ul e A a c h e n, R W T H A a c h e n U ni v er sit y S u b- s e a s o n al t o s e a s o n al pr oj e ct S o u n di n g of t h e At m o s p h er e u si n g Br o a d b a n d E mi s si o n R a di o m etr y S o ut h Afri c a n G e o d y n a mi c O b s er v at or y S ut h erl a n d Sir Ali st er H ar d y F o u n d ati o n f or O c e a n S ci e n c e S A P HI R At m o s p h är e n si m ul ati o n s k a m m er, S A P HI R at m o s p h eri c si m ul ati o n c h a m b er, F ZJ I nfr a - str u ct ur e E xt e n si o n of S A P HI R, Pl a nt C h a m b er E xt e n si o n of S A P HI R, Stirr e d At m o s p h eri c Fl o w R e a ct or S y nt h eti c A p ert ur e R a d ar S o ut h er n Afri c a n S ci e n c e S er vi c e C e nt er f or Cli m at e C h a n g e a n d A d a pti v e L a n d M a n a g e m e nt, B M B F F u n di n g Pri orit y S e a s o n al W at er R e s o ur c e s M a n a g e m e nt i n S e mi- ari d R e gi o n s: Tr a n sf er of R e gi o n aliz e d Gl o b al I nf or m ati o n t o Pr a cti c e, B M B F-f u n d e d pr oj e ct S c al e- cr o s si n g L a n d S urf a c e a n d B o u n d ar y L a y er Pr o c e s s e s, j oi nt r e s e ar c h pr oj e ct S ci e nti fi c C o m mitt e e o n A nt ar cti c R e s e ar c h St ei n b u c h C e ntr e f or C o m p uti n g at KI T S ci e nti fi c C o m mitt e e o n O c e a n R e s e ar c h of t h e U N E S C O S ci e nti fi c C o m mitt e e o n S ol ar- T err e stri al P h y si c s Str at o s p h er e- Cli m at e li n k s wit h e m p h a si s o n t h e U T L S S u st ai n a bl e D e v el o p m e nt G o al s of t h e U nit e d N ati o n s S y nt h e si s C e ntr e of i Di v E S A s at ellit e pr o gr a m t o m o nit or e. g., o c e a n s urf a c e t o p o gr a p h y, E art h’ s s urf a c e t e m p er at ur e, a n d o c e a n c ol or N ati o n al S o ci o- E n vir o n m e nt al S y nt h e si s C e nt er at t h e U ni v er sit y of M ar yl a n d S o n d erf or s c h u n g s b er ei c h, C oll a b or ati v e R e s e ar c h C e nt er, D F G-f u n d e d S u p er c o n d u cti n g Gr a vi m et er Str at o s p h eri c C h a n g e a n d it s R ol e f or Cli m at e Pr e di cti o n, R e s e ar c h U nit, D F G-f u n d e d S p ati al H et er o d y n e I nt erf er o m et er S ol ar-i n d u c e d C hl or o p h yll Fl u or e s c e n c e S e c o n d ar y I o n M a s s S p e ctr o m et er S e c o n d I n stit ut e of O c e a n o gr a p h y, C hi n a S h ort-li v e d cli m at e f or c er s S at ellit e L a s er R a n gi n g S ci e n c e M o nit ori n g a n d R eli a bl e T el e c o m m u ni c ati o n s S c al a bl e, M e c h a ni sti c, A d a pt e d C o m pl e xit y, R o b u st, a n d Tr a n sf er a bl e E S A s at ellit e mi s si o n t o m o nit or S oil M oi st ur e a n d O c e a n S ali nit y S o ut h er n O c e a n S e c o n d ar y Or g a ni c A er o s ol S urf a c e O c e a n C O 2 Atl a s S O L U TI O N S f or pr e s e nt a n d f ut ur e e m er gi n g p oll ut a nt s i n l a n d a n d w at er r e s o ur c e s m a n a g e - m e nt, E U-f u n d e d pr oj e ct H A L O Mi s si o n 2 0 1 9 R e s e ar c h p art n er s hi p s f or t h e a d a pt ati o n of c o m pl e x pr o c e s s e s i n t h e E art h s y st e m i n t h e S o ut h - er n Afri c a n r e gi o n, B M B F F u n di n g Pri orit y Str at o s p h eri c pr o c e s s e s a n d t h eir r ol e i n cli m at e S c h w er p u n kt pr o gr a m m, Pri orit y Pr o gr a m, D F G-f u n d e d S p e ci al I P C C R e p ort o n t h e O c e a n a n d Cr y o s p h er e i n a C h a n gi n g Cli m at e S u bt o pi c R V H E R V P S R W T H A a c h e n S 2 S S A B E R S A G O S S A H F O S S A P HI R S A P HI R- P L U S S A P HI R- S T A R S A R S A S S C A L S A W A M S C al e X S C A R S C C S C O R- U N E S C O S C O S T E P S C O U T- O 3 S D G s Di v S E N TI N E L S E S Y N C S F B S G S H A R P S HI SI F SI M S SI O S L C F S L R S M A R T S M A R T S M O S S O S O A S O C A T S O L U TI O N S S o ut h T R A C S P A C E S 2 S P A R C S P P S R O C C S T Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. XI X

A b br e vi ati o n s a n d A cr o n y m s A b br e vi ati o n s a n d A cr o n y m s U nit e d N ati o n s E d u c ati o n al, S ci e nti fi c a n d C ult ur al Or g a niz ati o n – I nt er g o v er n m e nt al O c e a n o - gr a p hi c C o m mi s si o n U nit e d N ati o n s Fr a m e w or k C o n v e nti o n o n Cli m at e C h a n g e U nit e d N ati o n s I nt er n ati o n al Str at e g y f or Di s a st er R e d u cti o n Ur b a n E n vir o n m e nt al O b s er v at ori e s U nit e d St at e s E n vir o n m e nt al Pr ot e cti o n A g e n c y U nit e d St at e s G e ol o gi c al S ur v e y U p p er Tr o p o s p h er e U ni v er sit y of T e x a s C e nt er f or S p a c e R e s e ar c h, U S A U p p er Tr o p o s p h er e L o w er Str at o s p h er e Vi s c o el a sti c Lit h o s p h er e a n d M a ntl e m o d el Vir gi ni a I n stit ut e of M ari n e S ci e n c e, U S A V er y L o n g B a s eli n e I nt erf er o m etr y Fl a n d er s M ari n e I n stit ut e, B el gi u m W a v e s t o W e at h er, C oll a b or ati v e R e s e ar c h C e nt er / Tr a n sr e gi o, D F G-f u n d e d W e st A nt ar cti c I c e S h e et W e st Afri c a n S ci e n c e S er vi c e C e nt er o n Cli m at e C h a n g e a n d A d a pt e d L a n d U s e, B M B F F u n di n g Pri orit y Wi s s e n s c h aftli c h er B eir at d er B u n d e sr e gi er u n g Gl o b al e U m w elt v er ä n d er u n g e n, G er m a n A d vi s or y C o u n cil o n Gl o b al C h a n g e Wi s s e n s c h aft s c a m p u s H all e, S ci e n c e C a m p u s H all e W orl d Cli m at e R e s e ar c h Pr o gr a m W orl d Cli m at e R e s e ar c h Pr o gr a m – C o or di n ati o n O fi c e f or R e gi o n al A cti viti e s W orl d Cli m at e R e s e ar c h Pr o gr a m – C o or di n at e d R e gi o n al Cli m at e D o w n s c ali n g E x p eri m e nt W orl d Cli m at e R e s e ar c h Pr o gr a m Str at o s p h er e – Tr o p o s p h er e Pr o c e s s e s a n d t h eir R ol e i n Cli m at e W orl d D at a C e ntr e f or G e o m a g n eti s m W orl d D at a S y st e m W e b m a p pi n g wit h g e o gr a p hi c i nf or m ati o n s y st e m W at er a n d E art h S y st e m S ci e n c e; c o m p et e n c e cl u st er E U W at er Fr a m e w or k Dir e cti v e W orl d Gl a ci er M o nit ori n g S er vi c e W orl d H e alt h Or g a niz ati o n W o o d s H ol e O c e a n o gr a p hi c I n stit ut e, U S A W a v e- dri v e n I s e ntr o pi c E x c h a n g e, H A L O Mi s si o n W orl d M et e or ol o gi c al Or g a ni s ati o n W or k P a c k a g e W e at h er R e s e ar c h a n d F or e c a sti n g m o d el, gl o b al /r e gi o n al c o m m u nit y w e at h er / cli m at e m o d el W R F R e gi o n al C h e mi str y a n d Tr a n s p ort M o d el W R F C o u pl e d R e gi o n al Cli m at e- H y dr ol o g y M o d el W e d d ell S e a M ari n e Pr ot e ct e d Ar e a W orl d Wi d e F u n d f or N at ur e W orl d W e at h er R e s e ar c h Pr o gr a m m e Y o u n g I n v e sti g at or Gr o u p Y e ar of P ol ar Pr e di cti o n Z e ntr u m f ür A q u a k ult urf or s c h u n g, C e nt er f or A q u a c ult ur e R e s e ar c h, A WI L ei b niz C e ntr e f or A gri c ult ur al L a n d s c a p e R e s e ar c h H el m h oltz R e s e ar c h I nfr a str u ct ur e L ei b niz Z e ntr u m f ür M ari n e Tr o p e nf or s c h u n g, L ei b niz C e ntr e f or Tr o pi c al M ari n e R e s e ar c h Z u g s pitz e G e o d y n a mi c O b s er v at or y G er m a n y U N E S C O-I O C U N F C C C U NI S D R Ur b E N O U S E P A U S G S U T U T C S R U T L S VI L M A VI M S V L BI V LI Z W 2 W W AI S W A S C A L W B G U W C H W C R P W C R P- C O R A W C R P- C O R D E X W C R P- S P A R C W D C W D S W e b GI S W E S S W F D W G M S W H O W H OI WI S E W M O W P W R F W R F- C h e m W R F- H y dr o W S M P A W W F W W R P YI G Y O P P Z A F Z A L F Z e p p eli n N T Z M T Z U G O G Pr o p o s al of t h e P o F I V Pr o gr a m ‘ C h a n gi n g E art h – S u st ai ni n g o ur F ut ur e’. X XI