Numerische Modellierung
Numerische Simulationen werden mit verschiedenen Modellen durchgeführt, die die Strömung im Meer berechnen und auch Wasserstand, Temperatur und Salzgehalt betrachten. Das Wellenmodell WAM berechnet die Wellenausbreitung und liefert Vorhersagen für Wellenhöhe und Periode. An einer Kopplung mit einem Zirkulationsmodell wird gearbeitet. Weitere Modelle beschäftigen sich mit biogeochemischen Problemen.
Verschiedene Modelle zur Berechnung von Wasserstand, Strömung und anderen Parametern werden in unserer Abteilung für unterschiedliche Fragestellungen angewendet, je nachdem, welches sich am besten für das zu lösende Problem eignet. Manchmal werden auch die Ergebnisse der verschiedenen Modelle verglichen und bewertet.
Das Strömungsmodell GETM liefert zum Beispiel Vorhersagen von Strömung, Salzgehalt und Temperatur für die Deutsche Bucht an das COSYNA System, wo die Daten im Datenportal frei verfügbar sind.
HIROMB BOOS, NEMO und SELFE sind weitere Modelle, mit denen wir arbeiten. Mehr Informationen zu den Modellen gibt es mit Klick auf die Reiter.
Strömungsmodell GETM
Genestetes Modellgebiet des Strömungsmodells GETM. Grafik: Hereon/ Joanna Staneva
GETM ist ein prä-operationelles Strömungsmodell, das mit seinen ineinandergreifenden Modellkonfigurationen folgende Gebiete umfasst:
(1) Grob aufgelöstes äußeres Modell für die Nord- und Ostsee (Gitterweite ca. 5 km),
(2) Feiner aufgelöstes Modell der Deutschen Bucht (Gitterweite 0,8 km)
(3) hoch aufgelöstes Modell des Wattenmeers (Gitterweite ca. 200 m), das die der Küste vorgelagerten Inseln und die Wattgebiete auflöst.
Basierend auf diesem Modell wird in COSYNA für die Deutsche Bucht und das Wattenmeer eine kurzfristige Vorhersage (1 - 2 Tage) von Strömungen sowie Temperatur und Salzgehalt erstellt. Im Datenportal von COSYNA werden kontinuierlich die Ergebnisse der Nachberechnungen und der Vorhersage veröffentlicht.
Beispiel
Grafik: Hereon/ J. Schulz-Stellenfleth
Die Graphik zeigt die dreidimensionale Verteilung der Wassertemperatur, berechnet mit GETM für die ScanfishTM Messungen zwischen 28. Juli und 5. August 2009.
HIROMB BOOS Modell
HIROMB BOOS ist ein hochauflösendes operationelles Modell der Ostsee und liefert Vorhersagen für verschiedene physikalische Parameter, zum Beispiel Wasserstand, Strömung, Temperatur, Salzgehalt und Eisinformationen.
Das Modell wird vom SMHI (Swedish Meteorological and Hydrological Institute) in Zusammenarbeit mit anderen Instituttionen aus einigen Ostseeanrainerstaaten betrieben.
NEMO (European Modelling of the Ocean)
Das Modell wurde unter anderem für Untersuchungen der Gezeiten in der Nordsee genutzt.
SELFE Hydrodynamisches Modell
SELFE Unstrukturiertes Gitter an der Nordspitze Dänemarks. Grafik: Hereon/ S. Grashorn
SELFE ist ein hydrodynamisches Modell, das auf einem unstrukturierten Gitter arbeitet. Wir betrachten ein gekoppeltes Modell der Nord- und Ostsee, um zum Beispiel eine Sturmflut aus dem Dezember 2013 zu untersuchen.
Verschiedene Wellenmodelle sind in der Abteilung entwickelt worden und werden weltweit genutzt. Weitergehende Informationen zu einzelnen ausgewählten Modellen finden Sie weiter unten.
- Wellenmodell (WAM) mit der aktuellen Version WAM cycle 4.5 in einem Konsortium
- Hybrid Parametric (HYPA) Tiefwasser-Wellenmodell
- HYPAS Flachwasserversion von HYPA
- Ein stationäres Wellenrefraktionsmodell mit Berücksichtigung von Bathymetrie und Strömungen (Ray-Model)
- Wellenmodell für Küstenbereiche (K-model)
WAM Cycle 4.5.4
Grafik: Hereon/ Arno Behrens
A Wave Prediction Model for Global and Regional Scales
Basic characteristics:
The WAM model is:
- a 3rd generation non-stationary surface wave prediction model
- based on the energy density balance equation
- in frequency – direction coordinates,
- and was developed for large (i.e. global scale, North Atlantic, Pacific) and medium scale (Mediterranean, North Sea, Baltic, Great Lakes) deep or shallow water applications and is able to consider stationary currents and ice coverage. Multiple nesting is possible.
The model is forced by time series of:
- wind fields at 10 m above sea surface,
- wave spectra at open boundaries,
- currents and water level fields.
WAM computes the 2d wave variance spectrum through integration of the transport equation. The source function is represented as a superposition of the wind input, white capping dissipation, nonlinear transfer, bottom friction and wave breaking. The output provides wave information of total sea, wind waves and swell.
Example
Grafik: Hereon/ Arno Behrens
The forecasts of the WAM model are integrated in the COSYNA data portal. The picture shows a snapshot of significant waveheight and wave direction in the German Bight, 15 February, 2012, 6 hrs.
A Stationary Wave Refraction Model (Ray model)
Basic characteristics:
The Ray model is
- a de-coupled stationary high resolution spectral surface wave model
- based on the action balance equation and the reverse ray theory of Abernethy & Gilbert
- in wave frequency – direction coordinates
- with high resolution (directional resolution typically 1° and 25 frequencies )
and was developed for applications where depth and/or current refraction play a significant role in changing the propagation direction, wave length , wave period and energy content of waves.
The model is applied for a single point of interest. By repeating the calculations for different points it is possible to generate a map of wave information.
The model is forced by:
- wind fields at 10m above sea surface,
- currents and water level fields,
- wave spectra at open boundaries.
Example 1
Grafik: Hereon/ Gerhard Gayer
Refraction rays for a wave frequency of 0.08 Hz for a point of interest in the bay of Gdansk (Baltic Sea) due to depth (contour lines) refraction. In this example we were able to explain measured wave spectra showing 2 peaks, both with a mean direction to the south. The peak at lower frequencies was due to long waves coming from the Baltic Sea. The second peak at higher frequencies was due to waves generated off the western coast inside the bay, first travelling to the east, then turning to the south.
Example 2
Grafik: Hereon/ Gerhard Gayer
Refraction rays for a wave frequency of 0.3 Hz for a point of interest between the islands of Helgoland, located in the German Bight of the North Sea, which is mainly influenced by current (vectors) and depth (color coded) refraction.