Entwicklung eines Lagrangeschen dynamischen Kerns für Klimamodelle

Abstract

Bei der Anwendung von globalen Klima-Chemiemodellen ist es von Bedeutung, dass der Rechenaufwand möglichst wenig mit der Zahl der zu transportierenden Spezies ansteigt und numerische Diffusion, die zu einem unphysikalischen Abbau von Spurenstoffgradienten führt, weitestgehend ausgeschaltet wird. Lagrangesche Verfahren erfüllen diese Anforderungen im Grundsatz wesentlich besser als rein Eulersche Verfahren. Auf der Lagrangeschen Beschreibung von Stömungen basierende numerische Verfahren haben gegenüber Eulerschen Verfahren den Vorteil, dass sie numerisch nicht diffusiv sind und die Verfolgung vieler unterschiedlicher sich durchmischender chemischer Substanzen und Spurenstoffe erlauben. Atmosphärenmodelle, die schon Lagrangesche Transportschemata beinhalten, sind derzeit noch Zwitter, wie zum Beispiel das Klima-Chemiemodell EMAC/ATTILA (EMAC: ECHAM5/MESSy Atmospheric Chemistry Model, ATTILA: Atmospheric Tracer Transport in a Lagrangian Model). Sie verwenden zwar einen Lagrangeschen Mechanismus zum Transport der Spurenstoffe, basieren aber auf einem Eulerschen dynamischen Kern zur Berechnung des Strömungsfeldes. Diese Inkonsistenz stellt eine Fehlerquelle dar und sollte vermieden werden. Deshalb wird im Rahmen des DFG Projektes Metström ein Lagrangescher dynamischen Kern für Klimamodelle entwickelt, der diese Inkonsistenz beseitigt. Als Basis für den Lagrangeschen Kern wird die Methode der Finiten Massen verwendet und in das Modell EMAC/ATTILA eingebaut. Die Methode der Finiten Massen baut auf einer Diskretisiserung der Masse auf, nicht des Raumes. Die Masse wird in kleine Massenpakete zerlegt, von denen jedes endlich viele innere Freiheitsgrade besitzt. Die in ATTILA enthaltenen Lagrangeschen Partikel, die zwar eine Masse aber keine Ausdehnung besitzen, erhalten damit ein Volumen mit einer vorgegebenen internen Masseverteilung. Diese Massenpakete bewegen sich unter dem Einfluss innerer und äußerer Kräfte und unter Berücksichtigung der Thermodynamik. Sie passen ihre Form, Größe und Orientierung der lokalen Situation an. Wir stellen die Methode der Finiten Massen vor sowie eine erste Anwendung der Methodik, die in einem ersten Schritt ohne Rückkopplungseffekt auf das Klimamodell verwendet wird. Erste Ergebnisse zeigen die resultierenden Masse- und Volumenverteilungen sowie Transporteigenschaften.