GCOAST Anwendungen
Beispiele für die Anwendung von GCOAST
- Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean
- Die Dynamik und die Flüsse am Land-Meer-Übergang
- Die Kopplung von mariner Hydrosphäre und Biosphäre
- GCOAST - ESM Modellkonfiguration
Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean
Grafik: Ha Hagemann/ Hereon
Wiese et al. (2019) untersuchten die Auswirkungen der gekoppelten COSMO-CLM/WAM-Modelle auf die atmosphärische planetarische Grenzschicht. Die verbesserte Vorhersage von Wellenhöhe und Oberflächenwinden durch die Anwendung eines gekoppelten Atmosphäre/Wellenmodells wurde von Wahle et al. (2017) gezeigt. Es wurde gezeigt, dass die Kopplung zwischen Wellen- und Ozeanmodellen den Meeresspiegel in den Küstengebieten erhöht (Staneva et al., 2017, Ponte et al., 2019), die Meerestemperatur und den Salzgehalt verändert (Alari et al., 2016, Schollen et al, 2017, Staneva et al., 2018), Durchmischung und Ozeanzirkulation (Staneva et al., 2017), Auftrieb (Wu et al., 2019), was zu einer besseren Übereinstimmung mit In-situ- und Satellitenmessungen führt (Staneva et al., 2017, Cavaleri et al., 2018; Staneva et al., 2019).
Die Dynamik und die Flüsse am Land-Meer-Übergang
Grafik: Ha Hagemann
Vergleiche mit verfügbaren atmosphärischen und ozeanischen Beobachtungen zeigten, dass die Verwendung des gekoppelten Systems die Vorhersagefehler im Küstenozean insbesondere unter schweren Sturmbedingungen reduziert (Mey-Frémaux et al., 2019, Staneva et al., 2019, Lewis et al., 2019) und für Drifter-Simulationen von entscheidender Bedeutung ist (Staneva et al., 2018). Die interne Modellvariabilität wird bei Extremereignissen wie schweren Stürmen bei der Kopplung von Atmosphären-, Hydrologie-, Ozean- und Meereismodellen (Ho-Hagemann et al., 2020) oder bei der Kopplung von Atmosphären- und Wellenmodellen (Wiese et al., 2020) deutlich reduziert.
ECOSMO-EST
ECOSMO-EST bezieht sich auf die Ökosystemmodellierung mit ECOSMO in einem ästuarinen Kontext, der Lagunen, Watten und andere Flachwassergebiete mit Dynamik des Trockenfallens umfasst. Diese Anwendung basiert auf einer Kopplung von ECOSMO mit SCHISM als hydrodynamischem Kern über die FABM-Kopplungsschnittstelle und wurde ursprünglich für die Anwendung im Elbe-Ästuar der Nordsee entwickelt (Pein et al., 2021). Das Framework ermöglicht die für gezeitenbeeinflusste Gebiete typische Überflutung und Trocknung sowie eine flexible Kombination von seitlichen Zuflüssen von Wassermengen, optional mit zeitlich variierenden Nährstoffkonzentrationen. Kürzlich wurde ECOSMO-EST erweitert, indem die Kopplung mit dem hydro-sedimentologischen Kernmodell vertieft wurde, indem die Beschattung von Phytoplankton durch anorganische Sedimente und die Adsorption von Phosphat durch Sedimente einbezogen wurden (Pein und Staneva, 2024). Durch die Kombination mit SCHISM bietet ECOSMO-EST durch die nahtlose Verknüpfung von 2D- und 3D-Rechengittern große Flexibilität bei der Simulation von marinen Umweltschnittstellen wie Poldern, kleinen Kanälen, Watten und sogar experimentellen Geometrien (Pein et al., 2024).
Die Kopplung von mariner Hydrosphäre und Biosphäre
Grafik: Ha Hagemann
In einer Studie zu biogeochemischen Prozessen im Elbe-Ästuar demonstrierten Pein et al. (2019) die Fähigkeit des Systems, Prozesse in einem gekoppelten Hydrosphären-Biosphären-Modellierungsrahmen zu simulieren. Die von Lemmen et al. (2018) entwickelten Multimodell-Kopplungen wurden z. B. für die Bewertung der Auswirkungen von Offshore-Windparks auf das Ökosystem angewendet (Slavik et al. 2019).
GCOAST - ESM Modellkonfiguration
Das Helmholtz-Zentrum Hereon hat den gekoppelten Modellierungsrahmen GCOAST (Geesthacht Coupled cOAstal model SysTem) entwickelt, der die wichtigsten Schlüsselkomponenten der Regional- und Küstenmodellierung flexibel integriert und zusätzlich die Einbeziehung von Informationen aus Beobachtungen ermöglicht. Der Hauptvorteil der Kopplung besteht darin, dass gekoppelte Modelle während der Laufzeit interaktiv eine Vielzahl von simulierten Feldern austauschen können, die ansonsten approximiert werden müssten. Die GCOAST-Domäne umfasst die nordatlantische Schelfregion sowie die Nord- und Ostsee.
Physikalische Prozesse in der Atmosphäre, im Ozean und in Wellen werden untersucht, indem das Atmosphärenmodell COSMO-CLM, das Ozeanmodell NEMO und das Wellenmodell WAM gekoppelt werden. Insbesondere werden die Eigenschaften und die Reaktion der drei Kompartimente auf regionaler und überregionaler Ebene bei sich ändernden Umweltbedingungen auf klimatologischen Zeitskalen analysiert. Darüber hinaus werden für die südliche Nordsee die lokalen Auswirkungen spezifischer anthropogener Veränderungen (z. B. Windparks) auf dekadischen Zeitskalen durch gekoppelte Ozean-Wellen-Läufe mit höherer Auflösung untersucht. Dadurch können physikalische Wechselwirkungen berücksichtigt werden, die von Modellen mit gröberer Auflösung nicht erfasst werden. Es werden Läufe durchgeführt, die eins der beiden Atmosphärenmodelle (COSMO-CLM oder ICON-CLM), das hydrologische Abflussmodell HD und das Ozeanmodell NEMO vollständig koppeln, um den Wasserhaushalt im regionalen Erdsystem zu erfassen.
Für die Analyse biogeochemischer Prozesse werden Läufe durchgeführt, die das Ozeanmodell NEMO und das biogeochemische Modell ECOSMO-E2E koppeln. ECOSMO-E2E ist ein Modell für funktionale Gruppen, das die wichtigsten Nährstoffkreisläufe im System sowie die niedere und höhere trophische Produktion einschließlich der Fische und des Makrobenthos auflöst. Die Dynamik des Ökosystemmodells wird durch das Framework for Aquatic Biogeochemical Models (FABM) gekoppelt, um die Kopplung mit NEMO zu erleichtern.