Großer Erfolg in der Entwicklung des Ozeanmodells ICON-O

Die Abbildung zeigt links das gleichmäßige ICON-Gitter und rechts das Dreiecksgitter mit der nicht-gleichmäßigen Auflösung. © MPI-M 2019, L. Linardakis

Peter Korn, Wissenschaftler in der Abteilung „Ozean im Erdsystem“ am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), stellt in zwei neuen Veröffentlichungen die aktuelle Entwicklung des Ozeanmodells ICON-O vor. In der ersten Studie “A Structure Preserving Discretization of Ocean Parametrizations on Unstructured Grids” wird die eine neue Lösung für ein zwanzig Jahre altes Problem der Ozeanmodellierung gefunden und die Entwicklung von ICON-O abgeschlossen. In der zweiten Studie „A conservative discretization of the shallow-water equations on triangular grids” setzen Peter Korn und sein Kollege Leonidas Linardakis die Analyse der Rechenmethoden in ICON-O fort. Sie weisen nach, dass in ICON-O in der Flachwasser-Diskretisierung sowohl die Gesamtenergie als auch die potentielle Enstrophie erhalten bleiben. Die meisten anderen Ozeanmodelle erhalten nur eines von beiden.

Die Entwicklung des globalen Klimamodells ICON ist ein gemeinsames Projekt des MPI-M mit dem Deutschen Wetterdienst (DWD). Durch ICON nutzt das MPI-M die neuen Technologien und Möglichkeiten im High-Performance Computing. Die Ozeankomponente von ICON, ICON-O genannt, ist ein modernes Ozeanmodell auf unstrukturierten Gittern. Es wurde unabhängig am MPI-M entwickelt und fußt auf einer neuen Rechenmethodik.

Im Detail: Die erste Studie beschäftigt sich mit zwei Parametrisierungen von Prozessen im Ozean. Parametrisierungen dienen der Modellierung von Prozessen, die man aufgrund mangelnder Auflösung des Modellgitters sonst nicht darstellen könnte. Die Studie untersucht die „isoneutrale Diffusion“ und die „Wirbel-Parametrisierung“ von Gent-McWilliams. Sie sind Meilensteine in der Ozeanmodellierung und werden nahezu in jedem Ozeanzirkulationsmodell verwendet. Die Berechnung dieser Parametrisierungen wirft auf Grund der Nichtlinearität der Parametrisierung ein tiefgehendes Diskretisierungsproblem auf, für das seit den späten 1990er Jahren nur eine Lösung bekannt war. Dieses Diskretisierungsproblem wird durch unstrukturierte Gitter, wie das dem ICON zugrundeliegende Dreiecksgitter, beträchtlich verschärft. Peter Korns Studie präsentiert nach 20 Jahren nun eine neue Lösung. Diese Lösung nutzt inhärent unstrukturierte Gittermethoden. Die Veröffentlichung zeigt mit Hilfe theoretischer Analysen und numerischer Experimente, die von idealisierten bis zu globalen Ozeanmodellierungen reichen, dass die neue Diskretisierung die wichtigen physikalischen Eigenschaften der beiden Parametrisierungen erhält.  

In der zweiten Studie führen Peter Korn und sein Kollege Leonidas Linardakis die Analyse der Rechenmethoden in ICON-O fort. Dies tun sie, indem die Diskretisierung von ICON-O auf die Flachwassergleichungen angewendet wird. Die Flachwassergleichungen sind ein vereinfachter Satz von Gleichungen in der geophysikalischen Strömungsdynamik, die nichtsdestotrotz einige der wesentlichen Aspekte der atmosphärischen oder ozeanischen Zirkulation beinhalten. Das hat die Flachwassergleichungen zu einer beliebten numerischen Spielwiese gemacht, auf der Modelleigenschaften wie Wellenausbreitung und Erhaltungseigenschaften von Modellcodes getestet werden können. Das Bemerkenswerte an ICON-O ist, dass es in der Flachwasser-Diskretisierung sowohl die Gesamtenergie als auch die potentielle Enstrophie erhält. Die meisten anderen Modelle erhalten nur eines von beiden. Beide quadratischen Erhaltungsgrößen numerisch zu erhalten, stellt eine ähnlich große Errungenschaft dar wie die bedeutende Arakawa-Diskretisierung von 1990.

Ein zweiter Beitrag der Studie ist der Vorschlag eines neuen Dreiecksgitters mit einer nicht-gleichmäßigen Auflösung. Diese Auflösung nimmt vom Äquator zu den Polen hin zu, und es wird ein Gitter erzeugt, welches wie eine Dreiecksversion eines Längengrad-Breitengrad-Gitters erscheint. Der ICON-O-Code läuft auf diesem Gitter ohne Modelländerungen. Durch die Nutzung von zwei Gittern zeigen die Autoren auch die Robustheit der Numerik und die Flexibilität des ICON-O-Codes.

 

Originalveröffentlichungen:

Korn, P.: A Structure Preserving Discretization of Ocean Parametrizations on Unstructured Grids.  Ocean Modelling 132 (2018), 73-90. doi.org/10.1016/j.ocemod.2018.10.002

Korn, P. & L. Linardakis: A conservative discretization of the shallow-water equations on triangular grid. J. Comp. Phys. 375 (2018), 871-900. doi.org/10.1016/j.jcp.2018.09.002

Kontakt:

Dr. Peter Korn
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 470
E-Mail: peter.korn@we dont want spammpimet.mpg.de