COSYNA

Modellierung

COSYNA Modelle

Numerische Modelle sind notwendig, um die Zustandsgrößen des Meeres zu Zeiten und an Orten für die keine Beobachtungen existieren abzuschätzen. Von besonderer Bedeutung für COSYNA ist die Fähigkeit Vorhersagen verschiedener Parameter wie Wellen, Zirkulation und Schwebstoffen zu liefern. Die Kombination von Modellen, die verschiedene Prozesse und räumliche Skalen abdecken, liefert ein umfassendes Bild des physikalischen und biogeochemisches Zustands der Deutschen Bucht.

Zirkulationsmodell

Hydromodel-model-scanfish

Dreidimensionale Verteilung der Wassertemperatur, berechnet mit einem numerischen Modell. Die Daten haben die gleiche Position wie die zwischen dem 28. Juli und dem 5. August 2009 gemessenen Scanfish-Daten.

Das prä-operationelle Zirkulationsmodell mit geschachtelten Gittern umfasst drei Modellkonfigurationen: (1) ein grobaufgelöstes äußeres Modell für die Nord- und Ostsee (Gittergröße ungefähr 5 km), (2) ein hochaufgelöstes inneres Modell für die Deutsche Bucht (Gittergröße etwa 0,8 km) und (3) ein sehr hochaufgelöstes Modell des Wattenmeeres (Gittergröße etwa 200 m), das die vorgelagerten Inseln und die Wattengebiete auflöst.
Trotz der hohen Komplexität der Simulation von Eigenschaften wie der vertikalen Schichtung zeigt das Modell eine gute Übereinstimmung mit den Beobachtungen (Abbildung).

Wellenmodell

Hydromodel Waveheights

Simulierte Wellenhöhen in der Deutschen Bucht (21. April 2010)

Das COSYNA-Wellenmodellsystem mit geschachtelten Gittern bietet zweimal täglich 24-stündige Wellenvorhersagen regional für die Nordsee und lokal für die Deutsche Bucht. Windfelder und Randbedingungen, die vom Deutschen Wetterdienst (DWD) zur Verfügung gestellt werden, treiben die Modellläufe an, die Wellenparameter, wie Wellenhöhe, -intervall und Ausbreitungsrichtung voerhersagen. Das Beispiel zeigt die Wellenhöhen am 21. April 2010 um Mitternacht in der Deutschen Bucht, eine typische Verteilung mit niedrigen Werten an der Küste und höheren Werten im offenen Meer.

Schwebstoffmodell

Hydromodel Spm

Typische Verteilung von modellierten Schwebstoffkonzentrationen (durch Assimilation von Satellitendaten optimiert) in mg/l an der Meeresoberfläche (22. März 2003, 10:20 h).

Die Verteilung von Schwebstoffen ist für den ökologischen Zustand des Meeres von grundlegender Bedeutung, da sie das Eindringen des Tageslichts in tiefere Wasserschichten behindern und die Ansammlung von Schadstoffen beeinflussen. Das Modell berücksichtigt Advektion, vertikale Austauschprozesse durch Strömung und Wellen, Sedimentation, Resuspension, Bodenerosion, sowie biogene Durchmischung im Sediment.

Unstrukturierte Gitter

Die Küstenregionen spielen eine entscheidende Rolle für globale Prozesse. Ökosystemmodelle der Küstenzone können daher unser Verständnis globaler Stoffkreisläufe, z.B. von Kohlenstoff und Nährstoffen, entscheidend verbessern.
Globale Ozeanmodelle können aber aufgrund der begrenzten Auflösung und Parametrisierung der physikalischen Prozesse die Dynamik in Schelfmeeren nicht angemessen darstellen. Auch regionale Modelle können die Dynamik von Ästuaren oft nicht ausreichend auflösen, sondern werden vorwiegend durch die Randbedingungen gesteuert.
Ineinander geschachtelte („genestete“) Modellsysteme bieten hier eine Lösung. Allerdings sind Systeme, die nur in eine Richtung genestet sind für Fragen des Tracer-Transports von der Flussmündung in den offenen Ozean nicht geeignet. Bi-direktionale Techniken weisen andererseits numerische Begrenzungen auf, da an den Grenzflächen der genesteten Gitter kleine Fehler in der Interpolation („Noise“) unvermeidbar sind, die sich dann in den Gittern ausbreiten.
Um Ökosystemprozesse in der südlichen Nordsee zu untersuchen, wird daher für diese Art der Untersuchungen ein Ozeanmodell auf Basis eines unstrukturierten Gitters (FESOM, Küstenversion) verwendet, das mit einem biogeochemischen Modell gekoppelt ist. Das unstrukturierte Gitter umfasst Quadrate und Dreiecke, die in das Ästuar, seine Nachbarschaft und die Küstenlinie „hinein zoomen“, d.h. dort eine höhere horizontale Auflösung haben. Dadurch können Küstenprozesse, wie asymmetrische Tiden- und Rest-Strömungen und periodische Schichtungen besser dargestellt werden. Die geringere Auflösung im offenen Ozean erlaubt vergleichsweise große regionale Studien. Durch die angemessene Darstellung physikalischer Eigenschaften sowohl küstennah als auch im offenen Ozean können Nährstoff- und Kohlenstofftransporte vom Land bis ins offene Meer untersucht werden.

Model_unstructured

Verteilung des Salzgehalts und Gitterauflösung im Modell SCHISM (Semi-implicit Cross-scale Hydroscience Integrated System Model)