Das regionale und lokale Wetter und Klima werden in vielen Regionen von den Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und der heterogenen Landoberfläche beeinflusst oder sogar maßgeblich bestimmt. Dies gilt insbesondere bei der Entwicklung von extremen Ereignissen wie Dürren, Hitzewellen und Starkregen. Inzwischen werden auch regionale Klimamodelle mit Gitterauflösungen von unter 4 km angewendet, d.h. die hochreichende Konvektion wird nicht mehr parametrisiert. Damit gewinnen allerdings die lokalen Austauschprozesse zwischen dem Boden, der Vegetation und der atmosphärischen Grenzschicht und damit auch die Weiterentwicklung der Turbulenzparametrisierungen an Bedeutung. Ziele unserer Modellierung sind
· die Quantifizierung der Energie- und Wasserflüsse und ein besseres Prozessverständnis im System Landoberfläche – Atmosphäre insbesondere in Agrarlandschaften.
· Untersuchungen der Prozesse und ihrer Parametrisierungen in der Atmosphärischen Grenzschicht in Abhängigkeit von der Landoberfläche und synoptischen Bedingungen
· Untersuchungen zur Rolle der Landoberfläche bei der Entstehung von extremen Ereignissen
Unsere Modellsimulationen führen wir mit dem Weather Research and Forecasting (WRF) Modell in Kombination mit dem darin enthaltenen Landoberflächenmodell Noah-MP am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) durch (Abb.1). Für Untersuchungsgebiete mit einem großen Anteil von Agrarlandschaften wurde dieses Modellsystem von uns mit dem Pflanzenwachstumsmodell für Feldfrüchte Gecros gekoppelt. Die Bedeutung eines solchen dynamischen Pflanzenwachstumsmodells für die Prozesse in der atmosphärischen Grenzschicht konnten wir für Deutschland zeigen. In der Regel wird WRF von uns mit einer horizontalen Auflösung von 1-3 km betrieben. Für Prozessstudien und Modellentwicklung, z.B. zur Untersuchung der planetaren Grenzschicht, wird eine höhere Modellauflösung benötigt. Diese beträgt für Turbulenz auflösende Simulationen 50-100 m. Für ausgewählte Studien kommt auch die variationelle Datenassimilation zum Einsatz, meistens eine 3DVAR kombiniert mit einem Ensemble-Kalman Filter und einem Rapid Update Cycle.
Subsaisonale Simulationen auf globaler Skala werden in der AG Modellierung des Erdsystems mit einer Auflösung von 1,5 bis 3 km mit dem Model for Prediction Across Scales (MPAS) durchgeführt. MPAS basiert in seinen Grundzügen bzgl. der Numerik und Modellphysik auf dem WRF Modell, besitzt jedoch ein besonderes Modellgitter bestehend aus Fünf- und Sechsecken. Der Vorteil gegenüber den bisher genutzten regulären Gittern ist, dass die Gitterfläche überall nahezu gleich ist und eine stufenlose Verfeinerung der horizontalen Modellauflösung möglich ist. Die dabei einstehenden Datenmengen im Bereich von mehr als 100 TB stellen jedoch auch auf den aktuellen HPC-Systemen eine Herausforderung dar.
Abb. 1: Das WRF-Noah-MP-Gecros - Modell: Das Landoberflächenmodell Noah-MP berechnet die Energiebilanz getrennt für die bewachsenen und unbewachsenen Anteile jeder Gitterzelle. Noah-MP ist mit dem WRF Modell gekoppelt, welches die Energie-, Wasser – und Impulsflüsse sowie den Zustand der Atmosphäre berechnet. Dabei bestimmen die Energieflüsse an der Landoberfläche und die Entrainment Flüsse aus der freien Troposphäre die Entwicklung der atmosphärischen Grenzschicht. Das Modellsystem simuliert in Abhängigkeit vom Zustand der Atmosphäre Wolkenbildung und Niederschlag und wird an den Modellrändern von Daten eines grossskaligeren Klima- oder Wettervorhersagemodells angetrieben. Noah-MP ist hier gekoppelt mit dem Pflanzenwachstumsmodell für Feldfrüchte Gecros.
Laufende Projekte
Die Arbeiten sind in die laufenden Projekte eingebunden:
| Dr. rer. nat. K. Warrach-Sagi | Tel.: 0711 459 23674 | email: kirsten.warrach-sagi at uni-hohenheim.de |
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