Forschung
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Abb.: Wechselwirkung von Wellen und Strömung im NEMO Ozean-Modell

Atmosphäre-Ozean Wechselwirkungen

Beschäftigt man sich mit der komplexen Interaktion der verschiedenen Komponenten des Erdsystems, so ist die Kopplung der entsprechenden numerischen Modelle ein üblicher Ansatz, um die Natur möglichst genau zu beschreiben. In der Klimaforschung und für Vorhersagen werden hochentwickelte Modelle benötigt, die Details der Wechselwirkungen zwischen Wasser und Luft auch auf regionaler und lokaler Ebene berücksichtigen. Die Kopplung von Atmosphären- und Zirkulationsmodellen unter Einbeziehung des windinduzierten Seegangs wird immer mehr zu einem Schlüsselelement, um hochqualitative, aufbereitete Informationen über die Meeresumwelt an Behörden, Organisationen und Wissenschaftsnetzwerke liefern zu können. Auch die Verwendung gekoppelter Zirkulations- und Wellenmodelle führt zu einer signifikanten Verbesserung der Qualität der Produkte und bietet darüber hinaus neue Perspektiven für die theoretische Grundlagenforschung auf diesem Gebiet, sowohl auf synoptischen als auch klimarelevanten Zeitskalen.

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Abb.: Wasserstands-Zeitreihe während einer Sturmflut: Messungen (schwarze Kreise), NEMO (rot) und gekoppeltes Modell (grün). Messstation Helgoland während des Sturms „Xaver“ im Dezember 2015.

Als Teil des „Geesthacht COAstal model SysTem“ (GCOAST) ist ein neues, aktuelles hochaufgelöstes Modellsystem in der Entwicklung, in dessen Rahmen ein Wellenmodell mit Ozean- und Atmosphärenmodellen für die Ost- und Nordsee gekoppelt ist.

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Abb.: Ostsee: Temperaturunterschiede im Sommer unter Berücksichtigung der Wellen-Strömungs-Kopplung

Die durch die Coriolis-Stokes-Kraft bedingten Wechselwirkungen von Wellen und Strömungen und die vom Seegang abhängigen Energie- und Impulsflüsse gestalten die Zirkulation, die Schichtung und sogar die Oberflächentemperatur in der gesamten Nord- und Ostsee maßgeblich mit. Sie wirken sich auch entscheidend auf biogeochemische Prozesse, den Partikeltransport und die Wärmeflüsse an der Grenzschicht Wasser/Atmosphäre aus. Daher können die Details der Wechselwirkungen zwischen Wellen und Strömung zum Beispiel bei der Modellierung von Such- und Rettungsszenarien, Ölunfällen oder der Verdriftung von Larven nicht außer Acht gelassen werden. Auch bei der Erforschung regionaler Klimaprozesse und in der Ökosystemdynamik muss die Interaktion von Wellen und Strömungen immer mitberücksichtigt werden.

Unsere Forschung leistet einen Beitrag zur Weiterentwicklung des theoretischen Verständnisses regionaler Systeme und zeigt, dass gekoppelte Zirkulations- und Wellenmodelle die Ergebnisse signifikant verbessern können. Der zunehmende Bedarf an besseren Wellen- und Sturmvorhersagen erfordert auch eine verbesserte Darstellung der physikalischen Prozesse. Vergleiche mit Messdaten haben gezeigt, dass man durch die Nutzung gekoppelter Modelle in der Lage ist, Fehler zu reduzieren, insbesondere bei schweren Sturmereignissen. Dies begründet die Weiterentwicklung und Verbesserung gekoppelter Modelle und ihre Implementierung sowohl in der operationellen Anwendung als auch in der Klimaforschung.