Gruppen von Meereismodellen

Die mathematischen Gleichungen eines Meereismodells beschreiben die für das Meereis relevanten dynamischen und thermodynamischen Prozesse. Sie berücksichtigen die Temperatur von Luft und Ozean, sowie die Albedo und andere Kräfte, welche das Wachstum und das Schmelzen von Meereis beeinflussen. Die Gleichungen für dynamische Prozesse beziehen Winde, Strömungen und andere Kräfte mit ein, welche die Bewegung von Meereis beeinflussen.

Die Bildung und das Wachstum von Meereis werden vom unter dem Meereis liegenden Ozean und der darüber angrenzenden Atmosphäre beeinflusst. Diese Einflüsse werden in den Modellen als Randbedingungen abgebildet oder als Bedingungen, die außerhalb des Modells, also oberhalb und unterhalb des Meereises, liegen. Randbedingungen stellen in den Modellen einen Antrieb (forcing) dar, da diese – ausgehend von Einflüssen aus Ozean und Atmosphäre – das Meereis zwingen, sich in einer bestimmten Art und Weise zu verändern. Als Beispiel lässt sich die Lufttemperatur nennen: liegt sie über dem Gefrierpunkt, bringt sie das Meereis zum Schmelzen – liegt sie unter dem Gefrierpunkt, verursacht sie Eiswachstum.

Die Prozesse, welche in die Bildung und das Wachstum von Meereis involviert sind, sind zu komplex, um sie mit mathematischen Formeln genau beschreiben zu können. Die in den Modellen verwendeten Formeln stellen daher vielmehr Abschätzungen dar, welche die für die Modellanwendung notwendigen Prozesse abbilden. Modelle beinhalten also Annahmen, wodurch die Modellvorhersagen damit verbundene Unsicherheiten aufweisen. In der Theorie erwartet man von einem komplexeren Modell realistischere Ergebnisse. Jedoch ist die Genauigkeit eines Modells intern durch seine Physik und extern durch die Randbedingungen (forcings) eingeschränkt. Aufgrund der zunehmenden Computerleistung und der ständigen Verbesserung der Meereismodelle, werden die Unsicherheiten in den Ergebnissen geringer.

Häufig werden Meereismodelle mit Ozean- oder Atmosphärenmodellen kombiniert: man nennt sie gekoppelte Modelle. Anstatt Ozean und Atmosphäre als Randbedingungen festzulegen, beeinflussen sich bei diesen Modellen Meereis, Ozean oder Atmosphäre gegenseitig und alle Komponenten entwickeln sich gemeinsam. Gekoppelte Modelle können sowohl Meereis und Ozean, Meereis und Atmosphäre oder alle drei Komponenten kombinieren.

Meereismodelle werden prinzipiell in zwei große Gruppen eingeteilt.

Thermodynamische Modelle:

Modelle dieser Gruppe erfassen hauptsächlich thermodynamische Prozesse, die auf der Grundlage der Energieerhaltung basieren und die Eisbildung, das Eiswachstum, das Schmelzen von Schnee und Eis, die Schnee- und Eistemperaturstruktur und die Entstehung von offenem Wasser (Rinnen) bestimmen. Sie bestehen aus zwei gekoppelten Modulen: zum einen aus der Energiebilanz für die Eisoberfläche und zum anderen aus der Wärmeleitungsgleichung. Ersteres dient der Bestimmung der Oberflächentemperatur und letzteres der Berechnung der Wärmeübertragung vom Ozean in die Atmosphäre und die damit verbundenen Gefrier- bzw. Schmelzraten bei gegebener Oberflächentemperatur. [1]

Dynamisch-Thermodynamische Modelle:

Neben den thermodynamischen sind auch dynamische Prozesse der Packeisdecke (wie die Meereisdrift) wichtig. Diese Gruppe der Modelle grenzt sich von den thermodynamischen Modellen dadurch ab, dass auch die Bewegung des Eises in die Massenbilanz eingeschlossen wird. Dynamische Modelle behandeln dynamische Prozesse basierend auf dem Prinzip der Massenerhaltung, welche die Eisbewegung, Eisdeformation und die Entstehung von offenem Wasser bestimmen. Sowohl thermodynamische als auch dynamische Prozesse tragen dazu bei, offene Wasserstellen innerhalb der Eisfläche zu bestimmen.

Diese Modelle bestehen aus vier Komponenten, wobei sich die ersten beiden Komponenten mit denen der rein thermodynamischen Modelle überschneiden: [1]

  1. Energiebilanz der Oberfläche, mit der aus dem atmosphärischen Antrieb (Wind, Lufttemperatur, Feuchte, solare Einstrahlung) und der Wärmeleitung durch das Eis die Oberflächentemperatur bestimmt wird.
  2. Wärmeleitungsmodell, welche den Wärmestrom bei gegebener Oberflächen- und Ozeantemperatur durch das Eis bestimmt.
  3. Impulsbilanz, bestehend aus Beschleunigung, Corioliskraft, atmosphärischer und ozeanischen Schubspannungen im Eis, die durch Deformationen hervorgerufen werden. Die Impulsbilanz bestimmt die Meereisgeschwindigkeit. Die internen Spannungen im Eis werden aus einem Fließgesetz abgeleitet, das sie mit der Deformation (oder der Deformationsrate) des Eises verknüpft sind.
  4. Bilanzgleichungen für Schnee- und Eismasse sowie den Bedeckungsgrad. Diese Bilanzgleichungen bestimmen die neue Schnee- und Eisdicke und den Eisbedeckungsgrad für jeden Modellgitterpunkt mit Hilfe der Meereisgeschwindigkeit aus der Impulsbilanz und der Gefrier- und Schmelzrate, die aus dem thermodynamischen Teil des Modells (Oberflächen-Energiebilanz und Wärmeleitungsmodell) kommen.




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[1] P. Lemke und M. Hilmer, Meereismodelle, promet Jahrgang 29, Nr.1-4, Juni 2003, Deutscher Wetterdienst, S. 90-97