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Modellsystem GCOAST

Grafik modulares Modellsystem GCOAST

Darstellung modulares Modellsystem GCOAST (Grafik: Ha Hagemann / Hereon)

Modellsystem GCOAST (Geesthacht Coupled cOAstal model SysTem)

GCOAST (Geesthacht Coupled cOAstal model SysTem) basiert auf einem flexiblen und umfassenden gekoppelten Modellsystem, das die wichtigsten Schlüsselkomponenten des regionalen und küstennahen Systems integriert und zusätzlich die Einbeziehung von Informationen aus Beobachtungen ermöglicht. Insgesamt umfasst es drei große Modellpfade:

Das GCOAST-System wurde aufgrund des Bedarfs an neuartigen Modellierungskapazitäten entwickelt, um die Flüsse von Wasser und Energie zwischen Atmosphäre und Ozean zu untersuchen. Dabei wurden die dynamische Wellenschittstelle, Dynamik und Biogeochemie des Land-Ozean-Übergangs sowie marine Ökosysteme und die benthisch-pelagische Kopplung berücksichtigt sowie Transport und Umwandlung von Umweltschadstoffen.

Beispiele für die Anwendung von GCOAST

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).

Vergleiche mit verfügbaren atmosphärischen und ozeanischen Beobachtungen zeigten auch, 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.

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 ist ein modulares System aus verschiedenen Modellen, die jeweils für ein bestimmtes Erdsystemkompartiment entwickelt wurden. Basierend auf spezifischen wissenschaftlichen Fragestellungen können verschiedene Modelle aus GCOAST zur Verwendung ausgewählt werden. Diese Modelle können durch Koppler (OASIS3-MCT, ESMF, FABM) auf verschiedenen Ebenen der Kopplungsgranularität zusammengesteckt werden, die den Austausch von Informationen zwischen Modellkombinationen, Einzelmodellen und Prozessen übernehmen.

GCOAST bündelt die Leistung einer Reihe von Arbeitsgruppen an den Instituten des Helmholtz-Forschungsbereichs Erde und Umwelt. Die Gruppen aus dem Institut für Küstensysteme entwickeln und verwenden verschiedene GCOAST-Modellkomponenten für ihre wissenschaftliche Forschung.

GCOAST Komponenten

(Grafik: Ha Hagemann / Hereon)

Die Gruppe "Regionale Modellierung von Land und Atmosphäre" nutzt und entwickelt die regionalen Atmosphärenmodelle COSMO-CLM und ICON-CLM, das bereits eine Komponente für Land/Oberfläche/Boden und Seen enthält, sowie das hydrologische Abflussmodell HD.

Die Gruppe "Hydrodynamik und Datenassimilation" trägt zu den Ozeanmodellen NEMO und SCHISM, dem Wellenmodell WAM, WWM und Driftermodellen bei.

Die Gruppe "Ökosystemmodellierung" entwickelt und verwendet eine Multi-Level-Kopplungsinfrastruktur durch ESMF und FABM, ökologische Modelle für Schwebstoffe, die pelagische und benthische Domäne (MAECS, MSPEC) und den Meeresboden OMEXDIA für küstennahe und estuarine Forschung.

Die Gruppe "Stofftransport und Ökosystemdynamik" nutzt und entwickelt das Ökosystemmodell ECOSMO, das Ozean-Biogeochemiemodell ICON-COAST sowie Modelle für die Meereschemie und benthische Prozesse.

Die Gruppe "Sedimenttransport und Morphodynamik" nutzt SCHISM, um den Sedimenttransport und die Morphodynamik zu untersuchen sowie das gekoppelte ECOSMO-TOCMAIM, um den Einfluss der benthischen Biota auf die frühe Diagenese des partikulären organischen Kohlenstoffs (POC) abzuschätzen.

Die Gruppe "Chemietransportmodellierung" des Instituts für Umweltchemie des Küstenraums nutzt und entwickelt die Modelle CMAQ, HiMEMO und UNDYNE für atmosphärische Chemietransportprozesse.