Ertzinger, Ralf (2005) Simulation kleinskaliger Wolken mit GESIMA. (Diploma thesis), Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Kiel, 70 pp.

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Abstract

Der Ausgangspunkt dieser Arbeit war die Betrachtung, inwieweit sich das mesoskalige Atmosphärenmodell GESIMA zur Simulation von kleinskaligen Wolken eignet, wobei mit „kleinskalig" eine horizontale Auflösung von 200m oder weniger ins Auge gefasst war. Die Untersuchung der Arbeitsmodi des Modells führten zu der theoretischen Erkenntnis, dass der von GESIMA unterstützte zufallsgesteuerte Störmechanismus für die in dieser Arbeit benötigten Zeitschritte nicht mehr geeignet ist, da sich die Störung einem hochfrequenten Rauschen annähert, auf das die Atmosphäre nicht mehr angemessen reagieren kann. Erste Schritte zur Untersuchung des Modellverhaltens bei kleiner werdenden Zeitschritten führten zu der Entdeckung, dass GESIMA auf kleiner werdende Zeitschritte mit einer starken Zunahme des im System vorhandenen Wassers reagiert, trotz ansonsten gleichbleibender Eingangsparameter. Dies wurde auf numerische Ungenauigkeiten bei der modellinternen Umrechnung der Stördaten zurückgeführt und führte im weiteren Verlauf der Arbeit dazu, dass zum Zwecke der Vergleichbarkeit alle Simulationen mit einheitlichen Zeitschritten durchgeführt werden mussten. Die Untersuchung des Wasserhaushalts bei verschiedenen horizontalen Auflösungen ergab ebenfalls eine Abhängigkeit der verschiedenen Wasserphasen (Wolkenwasser, Wasserdampf, Regen) von den gewählten Dimensionen, jedoch war diese Abhängigkeit bei weitem nicht so stark wie im zeitlichen Falle. Die beobachteten Änderungen wurden auf eine verbesserte Simulation kleinskaliger Turbulenzereignisse bei kleineren Skalen zurückgeführt. Die anschließenden Untersuchungen verschiedener Wolkenereignisse unter wechselnden Eingangs- und Störbedingungen zeigten, dass GESIMA, trotz seiner Auslegung auf mesoskalige Simulation, durchaus in der Lage ist, realistische, kleinskalige Wolkenereignisse zu simulieren. Dies zeigte sich sowohl an der untersuchten Mikrophysik als auch an Stabilitätsuntersuchungen in der Simulationsatmosphäre. Eine Untersuchung des Lebenszyklus' der Wolken in einem Phasenraum aus Strahlungstemperatur und Reflektivität zeigte zwar keine unbedingt überzeugend zu nennenden Ergebnisse, enttäuschte aber auch nicht vollständig. Trotz der allgemein als positiv zu betrachtenden Ergebnislage gab es auch bis zum Ende der Arbeit ungelöste Probleme mit dem Modell. Zum einen neigt das Modell dazu, in durch den eigentlichen Störvorgang unbeeinflusst gebliebenen Bereichen Schwingungen aufzubauen, die sich nicht mit zu erwartenden atmosphärischen Phänomenen erklären lassen, sondern wohl vielmehr auf numerische Reflektionen und Übertragungen durch die Simulationsränder zurückzuführen sind. Dies kann sowohl zu unerwünschter Wolkenbildung führen als auch zu einem Simulationsabbruch durch zu starke Schwingungen. Auch in anderen Situationen kam es zu nicht geklärten „Hängern" des Modells, die nur durch den Abbruch der Simulation zu beheben waren. Hier lagen aber nach Durchsicht der bis zum Abbruch berechneten Daten keine Auffälligkeiten im Modellverhalten vor und es gab keine besonderen Schwingungen oder unrealistische Feuchtigkeits- oder Windwerte, die einen Abbruch erklären würden. Des Weiteren ist es nicht gelungen, den in GESIMA vorhandenen Störmodus für Temperatur zur Arbeit zu bewegen, was eine Untersuchung von Wolkenbildung durch direkt temperaturgesteuerte Konvektion (im Gegensatz zu Konvektion, die erst durch die bei Ausfall von Wasser entstehende Temperaturstörung ausgelöst wird) ermöglicht hätte. Eine weitere Untersuchung, warum dies nicht gelungen ist, wäre daher zu begrüßen. Weitere Untersuchungen sind auch zu den schon erwähnten modellinternen Schwingungen und Abbrüchen notwendig, um die Ursache dieser Fehler zu erkennen und gegebenenfalls beseitigen zu können. Ein grundlegendes Hindernis bei der Problembehebung in GESIMA ist in der Tatsache zu suchen, dass der Code, auf dem GESIMA beruht, schon etwas älter ist und von mehreren Benutzern mit unterschiedlichen Stilvorstellungen geändert wurde. Der Code selbst ist in der Programmiersprache FORTRAN verfasst, die ihrerseits schon etwas betagt ist und einige Einschränkungen mit sich bringt. Diese beiden Punkte führen dazu, dass der Code für Außenstehende und Personen, die sich in seine Funktionsweise einarbeiten wollen oder müssen, nur schwer verständlich ist, was das Nachvollziehen der Vorgänge zwischen den verschiedenen Modulen und die Implementation der Modellgleichungen sehr erschwert. Insgesamt ist die Dokumentation des Codes selbst und die Anleitung zur Benutzung des Modells eher schlecht. Abschließend ist jedoch zu sagen, dass GESIMA trotz seines Alters und seiner teilweise kryptischen Bedienung durchaus geeignet scheint, auch heute noch nützliche und verwertbare Ergebnisse zu liefern.

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