Hochaufgelöste Grenzschicht- und Wolkenmodellierung

Abb.1: hochreichende Wolkenkonvektion begleitet von Starkniederschlag mit Wolkenobergrenze in 15km Höhe und Eisamboss. Quelle: Stefan Horn/TROPOS

Ein wichtiges Forschungsfeld an der Schnittstelle zwischen In-situ-Messungen, Fernerkundung und Modellierung nimmt die hochaufgelöste Simulation der atmosphärischen Grenzschicht inklusive der darin ablaufenden Wolkenprozesse ein.

Die Grundlage dieser Modellierung bilden die sogenannten kompressiblen Euler Gleichungen, die auch in anderen Bereichen der Strömungsmechanik eingesetzt werden. Diese wurden um Gleichungen für die Energiebilanz und die Umwandlungsprozesse des in der Atmosphäre enthaltenen Wassers erweitert. Dabei können unter anderem Prozesse wie Kondensation und Verdunstung, Tropfenwachstum, das Gefrieren und Auftauen von Wolkentropfen, Niederschlagsbildung sowie Regen und Schnee abgebildet werden. Die berücksichtigten Wasserphasen sind zur Zeit Wasserdampf, Wolkenwasser, Niederschlag, Wolkeneis und Schnee mit den jeweils dazugehörigen Tropfen- bzw. Partikelanzahlkonzentrationen.

Eine Besonderheit, die diese Modelle von herkömmlichen Wettermodellen unterscheidet, ist die verwendete Auflösung. In Abhängigkeit des untersuchten Prozesses, erstreckt sich das modellierte Gebiet von einigen wenigen bis zu mehreren hundert Kilometern. Die Größen der in dem Gebiet verwendeten Gitterzellen bewegen sich dabei typischerweise in den Größenordnungen einiger Meter bis zu mehrerer Dekameter.

Um diese hochaufgelösten Simulationen in annehmbaren Zeiträumen durchzuführen, setzt das hier verwendete Modell ASAMgpu auf den Einsatz moderner Grafikkarten. Diese stellen mit ihren bis zu mehreren tausend Rechenwerken, die sehr schnell auf einen gemeinsamen Speicherbereich zugreifen können, die benötigte Rechenleistung bei einem zur Zeit unschlagbaren Preis-Leistungsverhältnis bereit.

Die so berechneten dreidimensionalen Felder geben Einblicke in die Wechselwirkungen der in der Atmosphäre ablaufenden Wolken- und Niederschlagsprozesse mit der Dynamik und somit auch den Stoff- und Energietransport zwischen der Oberfläche und der freien Troposphäre.

Ein weiterer sehr wichtiger Aspekt ist der Versuch eine physikalisch möglichst konsistente Beschreibung des Zustandes der Atmosphäre zu liefern und somit eine Art Kreuzungspunkt für die vielen verschiedenen gemessenen Variablen darzustellen, die Beispielsweise mit LIDAR, RADAR, Satelliten- und Flugzeugmessungen gesammelt werden.

Referenzen

Horn (2012) Horn, S. (2012), ASAMgpu V1.0 – a moist fully compressible atmospheric model using graphics processing units (GPUs), Geosci. Model Dev., 5, 345-353. doi: 10.5194/gmd-5-345-2012.

Engelmann et al. (2011) Engelmann R., A. Ansmann, S. Horn, P. Seifert, D. Althausen, M. Tesche, M. Esselborn, J. Fruntke, K. Lieke, V. Freudenthaler, S. Gross (2011), Doppler lidar studies of heat island effects on vertical mixing of aerosols during SAMUM–2, Tellus B, 63 (4), 448-458, doi: 10.1111/j.1600-0889.2011.00552.x

  • Abb.2: Marine Stratocumulus-Wolkenschicht (Oberfläche: vertikale Windgeschwindigkeit (rot: aufwärts, blau: abwärts gerichtet); weiss: Wolkenwasser; blau: Sprühregen). Quelle: Stefan Horn/TROPOS

  • Abb.3: Marine Stratocumulus-Wolkenschicht (Oberfläche: vertikale Windgeschwindigkeit (rot: aufwärts, blau: abwärts gerichtet); weiss: Wolkenwasser; blau: Sprühregen). Quelle: Stefan Horn/TROPOS

  • Abb.4: Hochreichende Wolkenkonvektion begleitet von Starkniederschlag mit Wolkenobergrenze in 15km Höhe und Eisamboss. Quelle: Stefan Horn/TROPOS

  • Abb.5: Strukturen einer turbulenten Grenzschicht, welche durch die Erwärmung der Bodenschicht über den Cap Verden hervorgerufen wurde. Quelle: Stefan Horn/TROPOS