Die erste Version von ICON-Sapphire, die auf Erdsystem-Simulationen im Kilometermaßstab ausgerichtet ist
Mit ICON-Sapphire werden Gitterabstände von 10 km und feiner angestrebt. In der Atmosphäre ermöglichen Gitterabstände von 10 km und feiner die explizite Darstellung konvektiver Stürme durch die Berechnung der zugrunde liegenden Strömungsgleichungen. Dies ist wichtig, da die Energieverteilung das Klimasystem antreibt und die Konvektion der Hauptmechanismus für den vertikalen Energietransport ist. Im Ozean ermöglichen Gitterabstände von 10 km und feiner die Darstellung von mesoskaligen Wirbeln und teilweise submesoskaligen Wirbeln. Dadurch ändert sich der Charakter des simulierten Ozeans von einer viskosen zu einer turbulenten Strömung und wirkt sich auf die Darstellung der Ozeanzirkulation aus.
Anhand ausgewählter Simulationsbeispiele zeigen die Autor*innen, dass ICON-Sapphire nun mit gekoppelter Atmosphäre und Ozean über die gesamte Erde auf saisonalen Zeitskalen mit einem Gitterabstand von 5 km, auf monatlichen Zeitskalen mit einem Gitterabstand von 2,5 km und auf täglichen Zeitskalen mit einem Gitterabstand von 1,25 km betrieben werden kann. Der Durchsatz der gekoppelten 5 km-Simulation beträgt 126 simulierte Tage pro Tag bei einer Auslastung von 21 Prozent des neuesten Hochleistungsrechners am Deutschen Klimarechenzentrum. Im Allgemeinen wird ein Durchsatz von mindestens 100 simulierten Tagen pro Tag für die Durchführung von Simulationen auf klimatischen Zeitskalen als notwendig erachtet. Darüber hinaus ermöglicht ICON-Sapphire explizite Simulationen großer Wirbelstrukturen in der Atmosphäre (Large Eddies) mit Hektometer-Gitterabständen auf räumlich begrenzten Domänen in reinen Atmosphärensimulationen. ICON-Sapphire kann zudem die Wechselwirkungen zwischen submesoskaligen Ozeanwirbeln und Stürmen in der Atmosphäre global auflösen, indem es eine einheitliche Atmosphäre mit einem 5-km-Gitterabstand und ein Teleskopgitter im Ozean mit dem feinsten Gitterabstand von 530 m kombiniert.
Als ersten Schritt zur Demonstration der Fähigkeiten von ICON-Sapphire zur Erdsystemmodellierung, was die Simulation von Kohlenstoff erfordert, legen die Forschenden außerdem die Ergebnisse einer vierjährigen globalen Ozeansimulation vor, die die Ozean-Biogeochemie auf einem Gitterabstand von 10 km einschließt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse sind nun globale Simulationen über mehrere Dekaden möglich, die auch interaktiven Kohlenstoff enthalten, und kurze globale Simulationen, die große Wirbelstrukturen in der Atmosphäre (Large Eddies) und submesoskalige Ozeanwirbel auflösen.
Originalveröffentlichung:
Hohenegger, C., Korn, P., Linardakis, L., Redler, R., Schnur, R., Adamidis, P., Bao, J., Bastin, S., Behravesh, M., Bergemann, M., Biercamp, J., Bockelmann, H., Brokopf, R., Brüggemann, N., Casaroli, L., Chegini, F., Datseris, G., Esch, M., George, G., Giorgetta, M., Gutjahr, O., Haak, H., Hanke, M., Ilyina, T., Jahns, T., Jungclaus, J., Kern, M., Klocke, D., Kluft, L., Kölling, T., Kornblueh, L., Kosukhin, S., Kroll, C., Lee, J., Mauritsen, T., Mehlmann, C., Mieslinger, T., Naumann, A. K., Paccini, L., Peinado, A., Praturi, D. S., Putrasahan, D., Rast, S., Riddick, T., Roeber, N., Schmidt, H., Schulzweida, U., Schütte, F., Segura, H., Shevchenko, R., Singh, V., Specht, M., Stephan, C. C., von Storch, J.-S., Vogel, R., Wengel, C., Winkler, M., Ziemen, F., Marotzke, J., and Stevens, B.: ICON-Sapphire: simulating the components of the Earth system and their interactions at kilometer and subkilometer scales, Geosci. Model Dev., 16, 779–811, https://gmd.copernicus.org/articles/16/779/2023/, 2023.
Kontakt:
Dr. Cathy Hohenegger
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: cathy.hohenegger@mpimet.mpg.de