Diagnose und strukutrelle Implementierung von Erhaltungseigenschaften in der nichthydrostatischen meteorologischen Modellierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das gegebene Projekt ging der wichtigen Fragestellung nach, inwieweit konkrete Modelle der Numerischen Wettervorhersage mit ihren spezifischen Diskretisierungsalgorithmen und diversen Parametrisierungen die physikalischen Prinzipien der Erhaltung von Masse und Energie gehorchen. Um einen direkten Bezug zur Praxis zu beachten, wurde bewusst zur Evaluierung das operationelle nichthydrostatische Kurzfristmodell COSMO-DE des Deutschen Wetterdienstes (DWD) ausgewählt und derart untersucht. Von besonderem Interesse war es, sowohl zur Bestimmung von Bilanzierungen der Modellmasse- und der Energiehaushalte zunächst Verfahren zu entwickeln, die unabhängig vom zu untersuchenden Modell gültig sind. Diese wurden an stilisierten Feldern geeicht, um damit notwendigerweise verlässlich im allgemeinen Fall einsetzbar zu sein. Als zweiter Diagnostikapparat wurde ein neues Verfahren zur Bestimmung von Spektren der kinetischen Energie für relativ kleine Atmosphärenausschnitte entwickelt. Mit diesen Diagnostikhandwerkzeugen war es dann möglich, systematische Modelldefizite neuartig und auf physikalischer Grundlage zu erkennen, wie es bisher am COSMO-DE noch nicht geschah. Obwohl im Antrag als wesentliches Ziel erklärt, wurde die Einführung einer neuartigen Numerik auf der Grundlage der Energie- und Wirbeltheorie von Névir (1998) - und deren Einschätzung mit Hilfe des entwickelten Diagnostikpaketes - nicht zum Hauptthema des Projektes. Im Verlaufe der Bearbeitung zeigte sich offensichtlich und nicht geplant, dass bei der Evaluierung des genannten DWD-Modells nicht die vorgegebene Numerik ausschlaggebende Defizite aufwies, sondern bestimmte diabatische Quellterme. Darauf musste wegen der grossen Praxisrelevanz zwangsläufig reagiert werden. Der unerwartete Aufwand in diese Richtung bedeutete eine Schwerpunktverschiebung in diesem Projekt. Die ursprünglich gedachte Hauptuntersuchung musste daher deutlich reduziert werden. Insofern ging es in dem Projekt wesentlich und mit grösserem Aufwand darum, Fehler in der Formulierung eines relevanten Feuchtequelltermes quantitativ zu erkennen, die Ursachen dafür im COSMO-DE selbst zu beseitigen und danach die angebrachten Verbesserungen wiederum quantitativ als erfolgreich auszuweisen. Dies wurde an einem herausragenden Hochwasserszenarium demonstriert. Dieses Ergebnis ist für den DWD bedeutungsvoll. Eine zusätzliche wertvolle Aktivität des Projektes bei der Spektrenbestimmung ergab sich durch den Zugriff zu Flugzeugdaten der aktuellen deutschen COPS-Messkampagnie, um in der Kombination von Observation und Simulation die ’Wahrheit’ mit dem Wetterdienstmodell zusammenzuführen. Dieser Aspekt ist ein besonderer Verdienst des Projektbearbeiters, der mit Umsicht und Hartnäckigkeit hier zu einer unerwarteten Bereicherung der Modellevaluierung beitrug. Dennoch wurde in der noch verbleibenden Laufzeit für das COSMO-DE neben seiner gegeben Differenzendiskretisierung auch eine Diskretisierungsversion geschaffen, die gemäß der Energie- und Wirbeltheorie in den Impulsgleichungen die Impulsadvektion sowohl in Form einer Poisson- als auch eine Nambu-Klammerformulierung zur Grundlage nimmt. Diese Arbeiten sind Neuland und haben noch vorläufigen Charakter. Mit dem bisher Erreichten konnte immerhin als nichttriviales Ergebnis sowohl die theoretisch anspruchsvolle Differenzenformulierung als auch deren Umsetzung in den Programmcode als richtig demonstriert werden. Eine rigorose und systemisch konsistente Untersuchung bleibt noch unerledigt und wird im Sinne der ursprünglichen Absicht des hier abgeschlossenen Projektes als ein fortzusetzendes Projekt aus Erkenntnisgründen empfohlen.
