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Was ist Skalen-adaptive Parametrisierung?

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Ziel der Arbeitsgruppe von Prof. Roel Neggers für Integrierte Skalen-adaptive Parametrisierung und Evaluation (InScAPE) ist es, skalen-adaptive Parametrisierungen von kleinskaligen turbulenten und konvektiven Prozessen und Wolken für größerskalige Modelle zu entwickeln und diese mit relevanten Messungen von langfristigen meteorologischen "supersites" einzugrenzen.

In globalen Modellen (GCMs), welche für numerische Wetter- und Klimavorhersage verwendet werden, können viele Prozesse in der Atmosphäre aufgrund von Beschränkungen durch Leistung und Effizienz von heutigen Großrechnern nicht aufgelöst werden. Zu diesen nicht aufgelösten Prozessen gehören auch Turbulenz und Konvektion, Wolken und Niederschlag. Ihr Einfluss auf die größerskalige Zirkulation und das Klima im Allgemeinen, muss deshalb mit Hilfe von Parametrisierungen modelliert werden. Seit Beginn der operationellen numerischen Wettervorhersage Mitte des letzten Jahrhunderts ist die Evaluation und Verbesserung solcher Parametrisierungen ein aktives Forschungsgebiet.

In den letzten Jahren jedoch hat die Leistungsfähigkeit und die Geschwindigkeit von Großrechnern rapide zugenommen. Mit den dadurch möglich gewordenen Auflösungen können nun manche - zuvor parametrisierte - Prozesse zumindest teilweise aufgelöst werden. Dieser Bereich und Übergang von parametrisierten zu teilweise aufgelösten Prozessen wird oft als "grey zone" bezeichnet. Viele operationelle, klassische Parametrisierungen beruhen jedoch auf Annahmen, die in eben diesem Bereich nicht mehr gültig sind. Somit ist es nötig geworden, neue Parametrisierungen zu entwickeln, die automatisch sowohl an die Skalen der repräsentierten Prozesse als auch an die Gitterweite vom globalen Modell angepasst werden könnnen. Dieser neue Zweig der atmosphärischen Wissenschaften ist auch bekannt als "Skalen-adaptive Parametrisierung".

Der Fokus der Forschung der Arbeitsgruppe InScAPE liegt auf der atmosphärischen Grenzschicht und hier insbesondere auf der Konvektion von Cumuli in all ihren Facetten. Mit der nächsten Generation globaler Modelle, die voraussichtlich innerhalb der kommenden zehn Jahre operationell werden wird, wird es möglich sein Wolken der Grenzschicht zumindest teilweise aufzulösen. Unser wichtigstes Ziel ist es deshalb, ein skalen-adaptives Schema für feuchte konvektive Prozesse und Wolken in der Grenzschicht zur Verwendung in den Modellen dieser nächsten Generation zu entwickeln. Interessante Themen sind dabei unter anderem die Größenstatistik von Cumuluswolken, die vertikale Überlappung von Wolken, die Verwendung und Modellierung von Wahrscheinlichkeitsfunktionen sowie das Zusammenspiel von Parametrisierungen verschiedener Prozesse.

Die InScAPE Gruppe verwendet für ihre Forschung viele verschiedene Methoden und "Werkzeuge". So wird zum Beispiel eine Hierarchie von atmosphärischen Modellen genutzt, welche sowohl auf einfachen Arbeitsplatzrechnern als auch auf Großrechnern (RRZK) verwendet werden kann. Das wichtigste "Zugpferd" ist dabei das Large-Eddy Simulation (LES) Modell, mit dem die atmosphärische Strömung in einem begrenzten Modellgebiet (25x25x10km) mit feinskaliger, turbulenz- und wolkenauflösender Auflösung (25x25x40m) simuliert werden kann. Ein weiterer Teil der Hierarchie umfasst Regionalmodelle und globale großskalige Modelle. Neben verschiedenen anderen Codes, soll insbesondere das neue nichthydrostatische Modell ICON (ICOsahedral Nonhydrostatic), welches vom DWD und MPI-H entwickelt wurde, als unser wichtigstes Modellsystem etabliert werden. Neben seinem innovativen dreieckigen Gitter bietet das ICON Modell weitere Vorteile gegenüber bisherigen Modellen; insbesondere die Kombination eines nichthydrostatischen Kerns mit der Option von heterogenem Antrieb und nicht-periodischen Grenzen eröffnet neue Möglichkeiten zur Forschung an skalen-adaptiven Parametrisierungen.

Ein weiterer entscheidener Bestandteil unserer Werkzeugkiste ist das sogenannte "InScAPE Parameterization Testbed". In dieser interaktiven und webbasierten Testumgebung wird es ermöglicht modellierte und beobachtete Datenflüsse zusammen zu führen und miteinander zu vergleichen. Das Ziel ist es, die Modelle von der ersten Idee bis zur Vollendung mit Daten zu konfrontieren und somit die Entwicklung von Parametrisierungen zu vereinfachen. Das InScAPE testbed ist zentriert um das "JOYCE" Observatorium (Jülich ObservatorY for Cloud Evolution), welches sich am Forschungszentrum Jülich befindet und von der Arbeitsgruppe von Prof. Susanne Crewell betreut wird.