Numerische Modelle in der Küstenozeanographie: Status und Perspektiven. Hans Burchard. Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW) mit

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1 Numerische Modelle in der Küstenozeanographie: Status und Perspektiven Hans Burchard Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde (IOW) mit Holger Brix, Johannes Schulz, Emil Stanev, Kai Wirtz (HZG) Thomas Pohlmann (CEN) Jörg Wolff (ICBM) Ulf Gräwe, Lars Umlauf (IOW) Uwe Mikolajewicz (MPImet) Frank Janssen (BSH) Frank Kösters (BAW)

2 Fragen Was sind Küstenozeanmodelle? Ersetzen diese Modelle Beobachtungen? Was machen wir mit Küstenozeanmodellen? Wie werden Modelle zu Modellsystemem? Alles gut? Weiter so?

3 Sind Küstenozeanmodelle kleine Ozeanmodelle? strukturiert unstrukturiert Küstenozeanmodell Ozeanmodell Ozean- und MPI-OM Küstenozeanmodelle (Mathis et al.) können FESOM (Wang voneinander et al., 2011) lernen. GETM (Gräwe et al., in prep.) FVCOM (Grashorn et al., 2015)

4 Spezielle Anforderungen an Küstenozeanmodelle: Turbulenzschließungsmodelle Genaue Advektionsverfahren Umlauf et al. (2007) Flexible vertikale Koordinaten Trockenfall-Algorithmus Hofmeister et al. (2011) Seegangs-Strömungs-Kopplung Grashorn et al. (2015)

5 Modellvalidierung (Ostseeeinstrom Dezember 2014) Beobachtung Simulation MARNET-Messmast Darsser Schwelle Simulation: 4.01 Gt Salz; Beobachtung: 3.98 Gt Salz Größter Mohrholz Einstrom et al. (2015) seit 1950

6 Projekt Globale Küste Küstengewässer der Nordsee- und Ostsee sind Prototyp. Mission: Untersuchung typischer Küstengewässer und ihrer Relevanz für globale Prozesse weltweit in Zusammenarbeit mit lokalen Partnern durch Kombination von Messungen und Modellen, die auf charakteristische Gegebenheiten und Fragestellungen dieser Regionen zugeschnitten sind. Beobachtungen: An regionale Bedürfnisse angepasste Mess- und Analysestrategie unter Verwendung von automatisierten Zeitserien, Fernerkundung und Messfahrten mit Forschungsschiffen. Modellierung: Hydrographische und biogeochemische Modellierung mit flexiblen Gittern und an das jeweilige Untersuchungsgebiet angepasster Komplexität.

7 Wozu brauchen wir Küstenozeanmodelle? Prozessstudien Quantifizierung Zustandsbeschreibung Vorhersage Projektionen Impaktszenarien

8 Prozessstudien (z.b.: dichte Bodenströmung im Kanal) Beobachtung Prozessmodell Prozessverständnis Umlauf et al. (2007, 2011), Umlauf & Arneborg (2009)

9 Verbesserung der Zustandsbeschreibung durch Datenassimilation Emil Stanev, Johannes Schulz-Stellenfleth (HZG) Schulz-Stellenfleth et al. (Poster)

10 3D & 2D Ozeanzirkulationsmodelle basierend auf BSHcmod & HBM (HIROMB-BOOS-MODEL) 2-Wege Nesting at Cuxhaven Storm surge Xaver 5./6. Dec 2013 Arakawa C-Grid, Dynamische Vertikal- Koordinaten Trockenfallen&Überfluten Vorhersage dx=10 km mit dem BSH-Modellsystem (Frank Janssen, BSH) dx = 5 km 36 levels dx = 900 m 25 levels dx = 90 m 7 levels Dynamisches Eismodul Gekoppelt an Ökosystemmodel-ERGOM Gekoppelt an Seegangsmodell WAM hoch effizienter Code (OMP & MPI) NetCDF Ausgabe

11 Unterstützung der Ermittlungsbehörden Rückrechnung mit dem operationellen Driftmodell 'Seatrack Web' 10. März 21. März Bildquelle:Havariekommando

12 Projek Klimaprojektion Nordsee mit HAMSOM Thomas Pohlmann (CEN) Control Run (20C3M) Scenario Run (A1B) Meso-scale Horizontal Resolution 3 x 3 km Vertical Resolution 30 Layers, 5-50 m Autumn (SON) 100-Year Trend Mathis & Pohlmann (2014)

13 Impactszenario: Geplante Fahrrinnenanpassung der Weser BAW (Frank Kösters) Prognose ausbaubedingter Änderungen in einem hochvariablen Natursystem durch wasserbauliche Systemstudien ortsunabhängige Betrachtung: Verschiebung der Brackwasserzone ortsfeste Betrachtung: Erhöhung des Salzgehalts Anpassung der Fahrrinne für eine sichere und leichte Erreichbarkeit der Seehäfen Vertiefung um bis zu ca. 1,5 m in der Außenweser

14 ESMF ESMF ESMF MOdular System meteorology for Shelves atmospheric and Coasts chemistry waves suspended particles sediments benthic biogeochemistry (MOSSCO) water physics plankton ecology interface fluxes interface fluxes pelagic biogeochemistry benthic ecology ESMF: Earth System Modeling Framework ESMF ESMF ESMF ESMF ESMF

15 CLM meteography 1D MOSSCO configuration MOSSCO Wave model FABM / GOTM (Water physics, pelagic biogeochemistry, SPM) Deltares Erosed (benthic-pelagic-coupling) FABM Omexdia+P PON DIN SPM (Sediment biogeochemistry) O2 0 NO3

16 Luft Symposium Küste 2025, Altona, D Modulare Systemdynamik Nordsee-Ostsee (MOSSCO) u.a. mit Wind (CFSR) Wasser Temperatur (GETM) Wasser Algen (MAECS) Grenzschicht Porosität (abg. Messung) Meeresboden Denitrifikation (OMEXDIA)

17 Perspektiven Die Aufgaben der Küstenforschung werden immer komplexer: z.b. guter ökologischer Zustand ; Impact-Studien bei Klimawandel. Die Anforderungen an Modellwerkzeuge und systeme wachsen: z.b. hohe Auflösung, lange Läufe, Ensemble-Läufe, gekoppelte Systeme. Einzelne Gruppen können diese Entwicklungsarbeit nicht alleine leisten. Mögliche Wege: Nutzung von Resourcen großer internationaler Verbünde, z.b. NEMO: Gefahr der Monokultur, wenn nur sehr wenige Systeme übrig bleiben? Zu große Entfernung von den Entwicklern? Ausbau von gemeinsamen (inter)nationalen Strukturen, z.b. MOSSCO: Zu aufwendig? Kann sich die Community auf gemeinsame Strukturen einigen? Es gibt also Diskussionsbedarf in der Modellierungs-Community.

18 Perspektiven Küstenmodellierer-Workshop am in Bremen Ziele: Aufbau einer nationalen (international vernetzten) Küstenmodellierer-Community. Identifikation von künftigen Modellierungs-Herausforderungen. Förderung des Dialoges zwischen Modellentwicklern und anwendern. Motivation von anwendungsgetriebener Modellentwicklung. Entwicklung in Richtung gemeinsamer Modellsystem-Strukturen und -Projekte. Etablierung dieser Strukturen unter dem Dach KDM-Strategiegruppe Küste?