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.

Biogeochemische Modellierung

Biogeommodel-chla-c Ratio

Chlorophyll-a zu Kohlenstoff-Verhältnis (Chla:C): Oberflächenverteilung von Chla:C (in gChla/gC) vom flachen Wattenmeer in Richtung zentrale Deutsche Bucht.

Die Kreisläufe biogeochemischer Stoffe werden durch die Wechselwirkung von physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen bestimmt. Die Komplexität dieser Kreisläufe wird in flachen Küstengewässern zusätzlich noch durch die enge Verknüpfung von Prozessen in den Sedimenten und der Wassersäule verstärkt. Biogeochemische Wechselwirkungen und Rückkopplungen umfassen hoch-dynamische Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphor-Massenflüsse, die mit Hilfe von biogeochemischen Modellen abgeschätzt werden können. Diese Stoffflüsse und Budgets sind für die Betrachtung globaler Systeme innerhalb von COSYNA von besonderer Bedeutung, da zum Beispiel die Rolle der Aufnahme und Abgabe von Kohlendioxid in Küstengewässern für die ozeanische CO2-Senke ein wichtiges Forschungsthema darstellt.

Biogeochem Model-podetritus

Partikulärer organischer Detritus: Bodenkonzentration von organischem Detritus (Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphat in Gesamtmasse berechnet (mg/l) um den organischen Anteil an Schwebstoffen darzustellen).

Das Adaptive Küstenökosystemmodell (Model for Adaptive Ecosystems in Coastal Seas, MAECS) kann die Dynamik folgender Komponenten darstellen: Nährstoffe, Phytoplankton, Zooplankton, gelöste organische Substanzen und Detritus. Seine Besonderheit liegt in seinen Schwerpunkt auf der Anpassung der Biota. MAECS ist an das physikalische General Estuarine Transport Model GETM gekoppelt.
In aktuellen Version werden Beobachtungen dazu benutzt, Modellparametrisierungen zu kalibrieren und das Modell unter verschiedenen Randbedingungen zu validieren. COSYNA-Beobachtungen liefern dabei wichtige Randbedingungen für die Abschätzung der Flüsse und die Größenordnung der räumlichen und zeitlichen Variabilität. Langfristig wird die Assimilation von Daten in MAECS die Zustandsbeschreibungen verbessern und zuverlässige Vorhersagen von ökologischen Schlüsselgrößen liefern.
Die Abbildungen zeigen zwei Beispiele für Modellergebnisse. Erstens, die Fähigkeit des Modells physiologische Variationen des zellulären Chlorophyll-a zu Kohlenstoff-Verhältnisses in Phytoplankton aufzulösen, was wichtig ist, wenn Stickstoffbiomasse mit beobachteten Chlorophyllkonzentrationen in Beziehung gesetzt wird. Muster dieser Konzentrationen helfen bei der Identifikation von Gebieten mit verstärkter Chlorophyllsynthese, die verringerte Lichtverfügbarkeit kompensieren, zum Beispiel durch tiefere Vermischung oder verstärkte Dämpfung von Licht. Zweitens, die Muster des Setzverhaltens von Schwebstoffen können Gebiete aufzeigen, in denen Algen sich verstärkt ansammeln oder absinken und damit organisches Material zu den Sedimenten transportieren.