Forschung
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Darstellung modulares Modellsystem GCOAST (Bild: HZG)

Modellsystem GCOAST (Geesthacht Coupled cOAstal model SysTem)


Das GCOAST basiert auf einem flexiblen und umfassenden gekoppelten Modellsystem, das die wichtigsten Schlüsselkomponenten der regionalen und küstennahen Systeme integriert und darüber hinaus die Aufnahme von Beobachtungsdaten ermöglicht. Insgesamt umfasst es drei Hauptmodellpfade:

  • Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean
  • die Dynamik und die Flüsse am Land-Meer-Übergang
  • die Kopplung von mariner Hydrosphäre und Biosphäre

GCOAST ist kein Erdsystemmodell, das alle Aspekte des Erdsystems als ein Gesamtmodell simuliert, sondern ein modulares System mit verschiedenen Modellen, die jeweils für einen bestimmten Teil des Erdsystems entwickelt wurden. Basierend auf einer bestimmten wissenschaftlichen Fragestellung können verschiedene Modelle von GCOAST zur Verwendung ausgewählt werden. Diese Modelle können von Kopplern (OASIS3-MCT, ESMF, FABM) auf verschiedenen Ebenen der Kopplungsgranularität zusammengestellt werden, die den Informationsaustausch zwischen Modellkombinationen, einzelnen Modellen und Prozessen ermöglichen.

GCOAST bündelt die Arbeiten mehrerer Abteilungen am Institut für Küstenforschung. Die Abteilungen des Institutsteils „Systemanalyse und Modellierung“ entwickeln und wenden unterschiedliche GCOAST-Modellkomponenten für ihre wissenschaftliche Forschung an. Die Gruppe „Regionale Atmosphärenmodellirung“ nutzt und entwickelt die regionalen Atmosphärenmodelle COSMO-CLM und ICON-CLM, die bereits eine Komponente für Landoberfläche / Erdboden und Seen enthalten, sowie das hydrologische Abflussmodell HD. Die Gruppe „Hydrodynamik und Datenassimilation“ trägt zu den Ozeanmodellen NEMO und SCHISM, dem Wellenmodell WAM und Driftermodellen bei. Die Gruppe „Stofftransport und Ökosystemdynamik“ nutzt und entwickelt das Ökosystemmodell ECOSMO sowie Modelle für die Meereschemie und benthische Prozesse. Die Gruppe „Ökosystemmodellierung“ entwickelt und wendet mehrstufige Kopplungsinfrastrukturen durch ESMF und FABM an, sowie ökologische Modelle für Schwebstoffe, pelagische und benthische Gebiete (MAECS, MSPEC) und den Meeresboden OMEXDIA für die küstennahe und Ästuarforschung.

Beispiele für die Anwendung von GCOAST


Das GCOAST-System wurde aufgrund des Bedarfs an neuartigen Modellierungskapazitäten entwickelt, um die Flüsse von Wasser und Energie zwischen Atmosphäre und Ozean zu untersuchen. Dabei wurden die dynamische Wellenschittstelle, Dynamik und Biogeochemie des Land-Ozean-Übergangs sowie marine Ökosysteme und die benthisch-pelagische Kopplung berücksichtigt sowie Transport und Umwandlung von Umweltschadstoffen.

Wiese et al. (2019) untersuchten die Auswirkungen der gekoppelten Modelle COSMO-CLM / WAM- auf die planetare Grenzschicht der Atmospäre. Die verbesserte Vorhersage der Wellenhöhe und der Oberflächenwinde durch Anwendung eines gekoppelten Atmosphären- / Wellenmodells beschrieben Wahle et al. (2017). Es wurde gezeigt, dass die Kopplung zwischen Wellen und Ozeanmodellen den Meeresspiegel in den Küstengebieten erhöht (Staneva et al., 2017, Ponte et al., 2019), die Meerestemperatur und den Salzgehalt verändert (Alari et al., 2016, Schollen et al., 2017, Staneva et al., 2018), Vermischung und Ozeanzirkulation (Staneva et al., 2017) und Auftrieb (Wu et al., 2019), was zu einer besseren Übereinstimmung mit In-situ- und Satellitenmessungen führt (Staneva et al., 2017, Cavaleri et al., 2018; Staneva et al., 2019).

Vergleiche mit verfügbaren atmosphärischen und ozeanischen Beobachtungen zeigten auch, dass die Verwendung des gekoppelten Systems die Vorhersagefehler im Küstenozean, insbesondere unter schweren Sturmbedingungen, verringert (Mey-Frémaux et al., 2019, Staneva et al., 2019, Lewis et al., 2019) und ist für Drifter-Simulationen von entscheidender Bedeutung (Staneva et al., 2018).

Untersuchungen zur inneren Variabilität bei der Kopplung von Atmosphäre, Hydrologie, Ozean und Meereis wurden von Ho-Hagemann et al. (2019, eingereicht) durchgeführt. In einer aktuellen Studie zu biogeochemischen Prozessen in der Elbmündung zeigten Pein et al. (2019) die Möglichkeiten von GCOAST zur Simulation von Prozessen in einem gekoppelten Hydrosphäre-Biosphäre-Modell. Eine Kopplung von mehreren Modellen (Lemmen et al., 2018) wurde beispielsweise zur Bewertung der Auswirkungen von Offshore-Windparks auf das Ökosystem angewendet (Slavik et al. 2019).