Prinzipielle Funktionsweise eines Meereismodells

Die Größen, welche die Charakteristika von Meereis bestimmen, sind seine Dicke, der Bedeckungsgrad und die Fließgeschwindigkeit. Die Veränderung dieser Größen mit der Zeit lassen sich durch mathematisch-physikalische Gleichungen beschreiben. Die Dickenänderung beispielsweise hängt von der Temperatur der Luft über dem Ozean und des Wassers unter dem Eis ab. Außerdem kann Eis dicker werden, wenn Eisschollen sich übereinander schieben. Die Geschwindigkeit, mit der sich das Eis bewegt, ist wiederum hauptsächlich von der Eisdicke, dem Wind und der Ozeanströmung abhängig.

Die drei Parameter Dicke, Bedeckungsgrad und Geschwindigkeit werden immer aus der Größen der Parameter zum vorherigen Zeitpunkt plus der Veränderung vor Ort berechnet. Deswegen sagt man, man rechnet das Modell ‚ in der Zeit vorwärts ‘.

Für die Berechnung der Veränderungen braucht man Größen außerhalb des Eises, nämlich die Temperatur der Luft über dem Eis und die des Wassers unter dem Eis, sowie Windgeschwindigkeit über dem Eis und Ozeanbewegung unter dem Eis.

Die Eigenschaften sowohl von Ozean als auch von Atmosphäre können gleichzeitig mit dem Meereis modelliert werden, was man als ein ‚vollgekoppeltes Modell‘ bezeichnet und aufwendig in der Berechnung ist.

Wir am AWI modellieren den Ozean mit dem Meereis und erhalten die Atmosphärenbedingungen aus Datensammlungen. Dies wird als gekoppeltes Meereis-Ozean-Modell bezeichnet. Um die Größen an einem Punkt in Eis und Ozean zum nächsten Zeitpunkt berechnen zu können, werden auch noch der Zustand der Größen zu Beginn der Berechnung benötigt, sogenannte Anfangsbedingungen. Diese werden  ebenfalls aus Datensammlungen entnommen, die es in sehr grober Näherung, zusammengesetzt aus den Messungen vieler Jahre, gibt.

Der Gesamtozean im Modell besteht aus sehr vielen einzelnen Punkten, welche mit Parametergrößen versehen sind. Für ein numerisches Modell ‚überzieht‘ man den ganzen Ozean, den man in seiner dreidimensionalen Ausdehnung aus genauen Karten kennt, mit einem regelmäßigen Gitter solcher Punkte. Es entstehen kleine Würfel. In jedem dieser Würfel will man die Größen der drei Parameter kennen. Wenn die Würfel klein genug sind, ergibt eine Modellrechnung eine gut brauchbare Beschreibung des kompletten Ozeans und des Eises. Typischerweise haben die Würfel eine Kantenlänge von 110 Kilometer (grobauflösendes Modell) bis 8 Kilometer (hochauflösendes Modell) in der Horizontalen, und 10 bis 1000 Meter in der Tiefe.

Die Gleichungen, welche die zeitliche Veränderung der betrachteten Größen beschreiben, werden dann so vereinfacht, dass man sie näherungsweise durch einen Computer lösen lassen kann.  Die Ergebnisse der Berechnungen (zum Beispiel die drei Größen an jedem der vielen Punkte) werden wieder in Kartenform dargestellt.