BSH

Operationelle Modelle im BSH

Symbolbild zum Thema Modelle

Das BSH betreibt ein umfangreiches numerisches Modellsystem zur Berechnung von Meeres-, Ausbreitungs- und Wasserqualitätsvorhersagen in Nord- und Ostsee. Mit diesem Modellsystem werden mehrmals täglich Vorhersagen von Wasserstand, Strömung, Temperatur, Salzgehalt und Meereis für die nächsten Tage erstellt und archiviert.

Auf der Basis dieser Modellergebnisse werden bei Bedarf Ausbreitungsrechnungen für verschiedene Anwendungsbereiche durchgeführt und eine Reihe von Produkten abgeleitet. Diese stellen sowohl für die BSH-internen Dienste wie den Wasserstandsvorhersage- und Sturmflutwarndienst oder den Eisdienst, als auch für einige nationale Institutionen (etwa Havariekommando, Bundesmarine, DGzRS) eine wichtige Grundlage ihrer täglichen Arbeit dar. Darüber hinaus werden die Modellergebnisse zahlreichen Nutzern auf verschiedenen Wegen in Form von Abbildungen, Tabellen oder per Datendownload verfügbar gemacht.

Operationelles Modellsystem des BSH

Die Modellergebnisse werden in einem umfangreichen Datenarchiv gespeichert. Auf Anfrage können Daten extrahiert und zur Verfügung gestellt werden, so dass sowohl interne als auch externe Kunden die Daten zu weiteren Auswertungen nutzen können.

Modellsystem des BSH

Meteorologische Antriebsdaten aus den Modellen des DWD

Die zum atmosphärischen Antrieb des BSH-Modells benötigten meteorologischen Vorhersagedaten werden mehrmals täglich von den Atmosphärenmodellen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) in Offenbach berechnet und zum BSH übertragen. Derzeit werden sowohl Ergebnisse des Globalmodells (GME) als auch schwerpunktmäßig des Regionalmodells ICON genutzt. Hier liefert ICON höher aufgelöste Vorhersagen über einen Zeitraum von maximal 180 Stunden, während das GME Vorhersagen bis zu maximal 7 Tagen mit einer Auflösung von 20 km liefert. Neben Wind- und Luftdruckvorhersagen verwenden die BSH-Modelle zur Berechnung der Wärmeflüsse zwischen Luft und Wasser die Lufttemperatur, Bewölkung und spezifische Feuchte über dem Meer. Alle Daten werden sowohl an einen BSH-Rechner in Hamburg als auch in Rostock geliefert, um eine maximale Ausfallsicherheit zu erreichen.

Zirkulationsmodelle

Modellgebiet Nord- und Ostsee Modellgebiet/Modelltopographie des Nord- und Ostseemodells. Links das gesamte Gebiet, rechts das Gebiet mit feinerer Auflösung – beide Gebiete sind voll dynamisch gekoppelt.


Den Kern des Modellsystems bildet das dreidimensionale Zirkulationsmodell, welches auf mehreren interaktiv gekoppelten Gitternetzen rechnet. In der Deutschen Bucht und westlichen Ostsee beträgt der horizontale Gitterabstand etwa 0,9 km, im übrigen Teil der Nord- und Ostsee etwa 5 km. Im Bereich der Tide-Elbe wird zusätzlich ein sehr hoch aufgelöstes Modell mit einem horizontalen Gitterabstand von 90 m gerechnet, um die komplexen hydrographischen Prozesse in diesem Bereich besser simulieren zu können.

Die Wassersäule ist in eine Vielzahl von Schichten unterschiedlicher Dicke unterteilt (35 Schichten in Nord- und Ostsee, 25 Schichten in der Deutschen Bucht und westlichen Ostsee, 7 Schichten im Bereich der Tide-Elbe).

Da auch das Trockenfallen und Überfluten der Wattflächen mit dem Modell simuliert wird, können Prozesse in den mannigfaltig gegliederten deutschen Küstengewässern (Wattflächen, Sände, Priele und Inselketten) und der Wasseraustausch mit der offenen See realitätsnah wiedergeben werden. Zur Simulation der Temperatur werden neben dem Wasser auch der Meeresboden und das Meereis betrachtet, was vor allem in der winterlichen Ostsee eine große Rolle spielt.

Die vom Zirkulationsmodell für Nord- und Ostsee berechneten Vorhersagen reichen derzeit 72 Stunden in die Zukunft. Da die Rechnungen für die Tide-Elbe aufgrund der hohen Auflösung sehr rechenintensiv sind, werden hier nur Vorhersagen für 48 Stunden erstellt.

Die hier dargestellten Kurven zeigen Wasserstandsmessungen (durchgezogene Linie) und daran anschließend Vorhersagen (gestrichelte Linie). Bei dieser Grafik werden für verschiedene Orte an der Ostseeküste die Vorhersagen des Haupt-Zirkulationsmodells (V4) des BSH dargestellt. Man erkennt die räumlichen Unterschiede des Wasserstandsverlaufs.

Ausbreitungsmodelle

Das BSH verwendet für Simulationen von Ausbreitungsprozessen im Meer wahlweise das Lagrang'sche oder das Euler'sche Ausbreitungsmodell.

Das Lagrange'sche Ausbreitungsmodell

Für die Simulation der Drift und Ausbreitung von Stoffen wird die untersuchte Substanz in diesem Modell wie eine „Teilchenwolke“ behandelt (Lagrange'sches Verfahren). Die Teilchen werden unter dem Einfluss der Strömung verdriftet. Schwimmende Substanzen werden zusätzlich mit einem bestimmten Prozentsatz der Windgeschwindigkeit transportiert. Bei der Simulation einer Ölausbreitung wird außerdem das physikalische Verhalten unterschiedlicher Ölsorten auf der Wasseroberfläche und in der Wassersäule berücksichtigt.

Das Lagrange'sche Modell wird vorwiegend zur Unterstützung der Küstenwache bei aktuellen Meeresverschmutzungen eingesetzt. Mit dem Modell können auch Driftprognosen für schwimmende Personen und Gegenstände (etwa Boote und über Bord gegangene Ladung) sowie Ausbreitungs- und Driftberechnungen für Öl und wasserlösliche Chemikalien durchgeführt werden. Außerdem wird das Modell häufig verwendet, um das Herkunftsgebiet eines Stoffes zu bestimmen. Es ist somit ein wichtiges Hilfsmittel für die Ermittlung des Verursachers einer Verschmutzung.

Das Euler'sche Ausbreitungsmodell

Das Euler'sche Ausbreitungsmodell simuliert die zeitliche Entwicklung von Konzentrationsverteilungen. Der im Modell verwendete Transportalgorithmus ermöglicht die Darstellung starker Konzentrationsunterschiede (Fronten).

Untersuchungen zur Ausbreitung von wasserlöslichen Substanzen und zur Wasserqualität der Nord- und Ostsee werden deshalb überwiegend mit dem Euler'schen Ausbreitungsmodell durchgeführt. Das Modell kann beispielsweise eine Antwort auf die Frage liefern, wie sich schädliche Stoffe, die durch die Flüsse ins Meer gelangen, ausbreiten und verteilen.

Staumodell

Neben den Zirkulationmodellen rechnet das BSH 4-mal täglich eine Vorhersage des Wasserstandes beziehungsweise des Windstaus mit einem zweidimensionalen (Stau-)Modell für die Nordsee.

Der horizontale Gitterabstand dieses Modells beträgt circa 5 km. Für Vorhersagezeiträume bis zu 7 Tagen bilden die Ergebnisse eine wesentliche Basis für die Wasserstandsvorhersagen des BSH.

Ökosystemmodell

Da der ökologische Zustand von Nord- und Ostsee immer häufiger im Fokus der Öffentlichkeit steht, betreibt das BSH seit einigen Jahren auch eine Ökosystemmodellkomponente. Somit ist das BSH in der Lage tagesaktuell Informationen zu Fragestellungen zum Vorkommen giftiger Algenblüten in der Ostsee oder auch dem Auftreten sauerstoffarmer Meeresregionen als Folge hoher Nährstoffeinträge zu liefern.

Das im BSH verwendete Ökosystemmodell heißt ERGOM (www.ergom.net) und berechnet die Basis der komplexen Nahrungskette, wobei es sich auf die Zusammenhänge zwischen Nährstoffen, Sauerstoff, Sichttiefe, kleinsten freischwebenden Algen und kleinen freischwebenden Organismen beschränkt. Die Berechnung dieser grundlegenden wichtigen Prozesse ist bereits ausreichend, um die Wasserqualität zu beschreiben.

Sauerstoffsättigung am Meeresboden der Nordsee Sauerstoffsättigung [%] am Meeresboden der Nordsee bevor und nachdem Sturmtief Sebastian über die Deutsche Bucht gezogen ist.

Datenassimilation in Entwicklung

Um die Qualität aller Vorhersagen zu erhöhen, wird daran gearbeitet eine Verbindung zwischen den Modellsimulationen und gemessenen Daten zu schaffen. Verfahren der Datenassimilation (hier Ensemble-Kalman-Filter) ermöglichen dabei die Modellsimulation optimal mit Messungen zu verknüpfen ohne die Dynamik des Modells zu stören.

Mit und ohne Fernerkundung Fernerkundungsdaten wurden zur Datenassimilation benutzt Vorhersagefehler mit Datenassimilation, benutzte Beobachtungsdaten und Vorhersagefehler ohne Datenassimilation.

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