NAOSIM - Beispiel für ein gekoppeltes Meereis-Ozeanmodell

Betrachtet man das Meereis kleinskalig, so besteht es aus einzelnen Schollen. Diese sind sehr inhomogen und unterscheiden sich in Dicke, Fläche und Zusammensetzung. Dabei verhalten sie sich wie separate, miteinander wechselwirkende Körper. Für das Klimasystem ist jedoch nicht die Form und Position einer einzelnen Eisscholle relevant, sondern zum Beispiel die Frage, welcher Anteil der Meeresoberfläche von Eis bedeckt ist. Daher wird für eine großskalige Betrachtung des Meereises die gemittelte Wirkung einer großen Anzahl von Eisschollen auf die atmosphärischen und ozeanischen Prozesse in einer Region, die räumlich wesentlich größer als die typische Ausdehnung einer Scholle ist, zusammengefasst. Meereismodelle haben typischerweise Gitterzellen mit einer Fläche von 100  bis 1000 km2 und simulieren daher nicht einzelne Schollen, sondern Flächenmittel über eine große Anzahl Schollen (Kontinuumshypothese).

Für großskalige Meereismodelle stellt die Kontinuumhypothese eine gute Näherung dar. Diese beruht auf der Annahme, dass großskalig gemittelte Größen wie die Eiskonzentration stetige und beliebig oft differenzierbare Funktionen des Ortes und der Zeit sind, in die eine große Anzahl kleiner, einzelner Objekte (Eisschollen) eingeht, deren räumliche Ausdehnung wesentlich kleiner als die der betrachteten Region ist.

Als Beispiel für ein gekoppeltes Meereis-Ozeanmodell wird im Folgenden das Modell NAOSIM (North Atlantic Arctic Ocean Sea Ice Model) vorgestellt, das am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven entwickelt wurde.

Der Meereismodellteil von NAOSIM entspricht weitgehend dem verbreiteten zweistufigen Meereismodell von Hibler (1979). [1]  Die in dem Meereismodell verwendete Thermodynamik geht auf Parkinson und Washington (1979) zurück, bei der die Bestimmung der Energiebilanz an den Grenzflächen Ozean/Eis und Eis/Atmosphäre im Mittelpunkt steht. [2]  Dieses Modell wurde in verschiedenen Bereichen erweitert. Wichtige Schritte hierbei waren: die Berücksichtigung unterschiedlicher Eisdicken innerhalb einer Gitterzelle [3], die Einführung der Schneehöhe als prognostische Größe [4], die Annahme fünf verschiedener Werte für die Oberflächenalbedo [5]  und die Modifikation der Rheologie (interne Kräfte im Eis) sowie Änderungen der Numerik. [6]

Das durch NAOSIM erfasste Modellgebiet (2000 km x 1600 km) umfasst den Nordatlantik und die Arktis. Die räumliche Auflösung liegt bei 1/12 Grad (ungefähr 9 km). Das Modellgitter ist ein rotiertes sphärisches Gitter. Der Nordpol des Modellgitters liegt auf dem geografischen Äquator bei 60 °Ost. In der Horizontalen ist das Gitter des Ozeanmodells identisch zu dem Gitter des Meereismodells. In der Vertikalen verfügt es über 50 Schichten in einem nicht gleichmäßigen (äquidistanten) Abstand. Die vektoriellen Größen sind gegenüber den skalaren Größen um eine halbe Gitterweite in x und y-Richtung, aus Gründen der Rechengenauigkeit, verschoben (Arakawa B-Gitter). [7]

Beim Ozeanteil des Modells handelt es sich um das MOM2 (Modular Ocean Model 2) des amerikanischen Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL). Eine Beschreibung des Modells findet sich bei Pacanowski (1995). [8]  Die Koppelung des Ozeanmodells erfolgt nach Hibler und Bryan (1987). [9]  Für das Eismodell sind die wichtigen Variablen des Ozeanmodells die Strömung und die potentielle Temperatur der obersten Ozeanschicht.



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[1] W. D. Hibler, III.: A dynamic thermodynamic sea ice model. In: J. Phys.Oceanogr. 9, Nr. 4, 1979, S. 815–846
[2] C. L. Parkinson und W. M. Washington, A large-scale numerical model of sea ice, Journal of geophysical Research, 84(C1), 1979, S, 311–337
[3] W. D. Hibler, III The role of sea ice dynamics in modeling CO2 increases. In: Climate processes and climate sensitivity, 29: Hrsg. J. E. Hansen und T. Takahashi, Geophysical Monograph, AGU, Washington, D. C., 1984, S. 238-253
[4] W. B. Owens und P. Lemke, Sensitivity studies with a sea ice-mixed layer-pycnocline, model in the Weddell Sea. Journal of Geophysical Research, 95(C6), 1990, S. 9527–9538
[5] H. Fischer, Vergleichende Untersuchungen eines optimierten dynamisch-thermodynamischen Meereismodells mit Beobachtungen im Weddellmeer, Berichte zur Polarforschung 166, ISSN 0176-5027, Alfred-Wegener-Institut (AWI), Dissertation, 1995
[6] M. Harder, M., Rauhigkeit und Alter des Meereises in der Arktis- Numerische Untersuchungen mit einem großskaligen Modell, Berichte zur Polarforschung 203, ISSN 0176-5027, Alfred-Wegener-Institut (AWI), Dissertation, 1996
[7] A. Kriegsmann, Einfluss von Zyklonen auf das Meereis in der zentralen Arktis: Modellstudien und Beobachtungen, Dissertation, Universität Hamburg, 2011
[8] R.C. Pacanowski, MOM 2 documentation, user’s guide and reference manual, GFDL Ocean Group Tech. Rep. 3, Geophysical Fluid Dynamics Laboratory,Princeton Univ., NJ, 1995
[9] W. D. Hibler und K. Bryan, III A diagnostic ice-ocean model, in: J. Phys.Oceanogr. 17(7), 1987, S. 987–1015