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int. Conference 2011
DFG Schwerpunktprogramm 1276
Nach einer 6-jährigen Förderperiode endete das Schwerpunktprogramm formal im Juni 2013.
Zum Abschluss des SPPs wurde entschieden, die in den geförderten Einzelprojekten erzielten Ergebnisse in 2 Sonderheften plus einem reguläen Band der Meteorologischen Zeitschrift zu veröffentlichen. Diese Sonderhefte sind als OpenAccess für die Allgemeinheit unter “http://www.schweizerbart.de/publications/list/series/metz” online frei abrufbar.
Diese zum Abschluss des SPPs erschienen Publikationen ergänzen damit das in 2013 erschienene MetStroem-Sonderheft im Journal Theoretical and Computational Fluid Dynamics, siehe TCFD, Volume 27, issue 3-4. June 2013, “http://link.springer.com/journal/162/27/3/page/1″.
Eine der wichtigsten Herausforderungen für die meteorologische Modellierung ist es, lokale Extremereignisse mit hoher Detailtreue wiederzugeben. Beispiele sind die Entstehung und Entwicklung von Wirbelstürmen, lokale Wetterextreme mit Überflutungspotential oder die Schadstoffausbreitung nach Industrieunfällen. Analog sucht man in der Strömungsmechanik, lokale Temperaturspitzen in Brennkammern oder Strömungsablösungen an umströmten Körpern genau und effizient zu erfassen.
Ein vielversprechender, in Meteorologie und Strömungsmechanik bereits aktiv verfolgter Lösungsansatz besteht darin, die raum-zeitliche Gitterauflösung von Rechenmodellen in Abhängigkeit von vorherrschendem Systemzustand und zu beantwortender Frage lokal und zeitabhängig nach Bedarf anzupassen. Die Entwicklung dynamischer Kerne bzw. Strömungslöser für solche gitteradaptive Modelle ist dabei zwar bereits relativ weit gediehen. Wie allerdings Parametrisierungen bzw. Schließungsmodelle für die Effekte kleinskaliger, nicht aufgelöster Prozesse auf dynamisch adaptiven Gittern zu formulieren sind, und welche Art von adaptivem Strömungslöser sich für eine Einkopplung solcher Parametrisierungen gut eignet, ist bisher kaum erforscht. Insbesondere gibt es bisher keine theoretisch fundierte Vorgehensweise, nach der bestimmte physikalische Prozesse in hoch aufgelösten Regionen explizit berechnet, in anderen Gebieten aber nur in parametrisierter Form berücksichtigt werden können. Ohne Schließungsansätze und numerische Techniken, die eine solche Adaptivität der Prozessbeschreibung einbeziehen, sind realitätsnahe Simulationsergebnisse aber nicht zu erzielen.
Meteorologie, Strömungsmechanik und Angewandte Mathematik kooperieren, um Konzepte für modell- und gitteradaptive numerische Simulationsverfahren in bi- oder tri-disziplinären Projekten zu erarbeiten. Ziel ist es, Simulationsmodelle bereitzustellen, in denen die Beschreibung physikalischer Prozesse, deren mathematische Formulierung sowie die für rechnerische Auswertungen notwendigen adaptiven Diskretisierungen konsistent zusammenspielen. Dabei sollen deterministisch-kontinuierliche Ansätze ebenso betrachtet werden wie diskrete oder stochastische Schließungen.
Besonderes Gewicht kommt neben der Entwicklung grundlegender Konzepte und deren prototypischer Implementierung auch der Bereitstellung von Fehlerschätzern zur separaten Eingrenzung von Modell- und Numerik-Fehlern zu. Diese liefern die Basis für Kontrollalgorithmen, die eine dynamische Modelladaption erst möglich machen.
Im Vordergrund der Forschung stehen Theorie und Methodik der skalenübergreifenden meteorologisch-strömungsmechanischen Modellierung. Begleitende experimentelle Untersuchungen ausgewählter Prozesse unterstützen die Modellvalidierung. Daten zur Validierung großskaliger Modelle werden über Kooperationen zur Verfügung stehen.
Mehrere international renommierte Forschungszentren arbeiten derzeit an der Entwicklung von Wettervorhersage- und Klimamodellen auf Gittern variabler Ortsschrittweite. Der nächste Schritt zu dynamisch gitteradaptiven Modellen ist bereits vorgezeichnet. Schlüssige Konzepte für entsprechende auflösungsabhängige Parametrisierungen bzw. Schließungen fehlen jedoch noch. Das Schwerpunktprogramm MetStröm hat das Potential, in diesen dringend notwendigen Entwicklungen international eine Vorreiterrolle einzunehmen.