Die Evolution der Ozeanmodelle

Von Conor Purcell • 19 März 2018

Heute haben sich die Dinge bewegt.

Ozeanmodellierer sind viel näher daran, genaue Darstellungen des realen Ozeans zu simulieren, und in den letzten Jahrzehnten sind ihre Modelle unglaublich realistisch geworden, mit Anwendungen von Wetter- und Wellenprognosen über Klima- und Paläoklimaforschung bis hin zur Suche nach Vermissten Flugzeug.

Am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel arbeitet Dr. Jonathan Durgadoo seit fast 10 Jahren mit Meeresmodellen. In dieser Zeit hat er in den von ihm verwendeten Modellen einen Trend zu steigendem Realismus beobachtet.

"Unter realistisch verstehen wir die Fähigkeit von Modellen, Prozesse im Ozean zu simulieren, die beobachtet und erkannt werden", sagt er. "Wenn Computer schneller werden, können mehr ozeanische Prozesse, die auf unterschiedlichen Skalen auftreten, einbezogen werden. Und wenn wir mehr und mehr von Ozeanprozessen verstehen, können wir darüber nachdenken, wie wir sie in unsere Modelle einbeziehen können. "

Insbesondere Ozeanmodelle sind in den letzten Jahren aufgrund ihrer Fähigkeit, Wirbel aufzulösen, realistischer geworden. Wirbel sind mesoskalige Wirbel, die durch Turbulenzen im Ozean verursacht werden. Im Laufe des letzten Jahrzehnts, als Rechenleistung und Datenspeicherung exponentiell zugenommen haben, sind Eddy-Resolving-Ozean-Modelle immer weiter verbreitet.

Durgadoo erklärt, dass bei der Modellierung von Ozeanen die Größe eine Rolle spielt. "Ozeanographen sprechen im Allgemeinen von räumlichen und zeitlichen Skalen", sagt er. "Räumlich verlaufen Prozesse im Ozean in Größenordnungen von Millimetern bis zu Tausenden von Kilometern und zeitweise bis zu mehreren Jahrhunderten."

Das Wort Mesoskala bezieht sich auf Strukturen in der Größenordnung von mehreren zehn bis mehreren hundert Kilometern. Diese Strukturen, zu denen auch Wirbel gehören, spielen im Ozean viele verschiedene Funktionen. Zum Beispiel fangen Wirbel an bestimmten Orten Wassermassen auf und transportieren sie zu einem anderen und können auch nährstoffreiches Wasser einfangen, das lokal die biologische Aktivität fördert. Damit Ozeanmodelle Realismus auf diesen Skalen erreichen können, müssen Wirbel und andere Strukturen dargestellt werden.

"Das heißt nicht, dass Modelle, die diese Strukturen nicht simulieren, nutzlos sind", fügt Durgadoo hinzu. "Man muss die Nützlichkeit von Modellen innerhalb ihrer Grenzen verstehen und schätzen."

Das Problem mit der Modellauflösung

Die Modellierung des globalen Ozeans ist von Natur aus schwierig. Während der gesamten Geschichte der Entwicklung des Meeresmodells, von den frühesten Modellen, die sehr einfache Computerprodukte nach modernen Standards verwenden, bis hin zu den modernen "Millionen-Zeilen-von-Code" -Königen, haben Forscher sich mit Problemen beschäftigt der Auflösung, dh der geographische Maßstab, auf dem ein Modell läuft - je kleiner Ihre Gitterauflösung ist, desto besser ist Ihre Darstellung des Ozeans.

Laut Professor Sergey Danilov, der sich in der Abteilung für Klimamodelle des Alfred-Wegener-Instituts in Bremerhaven mit der Entwicklung des Meeresmodells befasst, bestand die größte Herausforderung schon immer darin, dass die Modelle die Wassermassen und die Zirkulation reproduzieren, die wir im Realen beobachten Ozean.

"Bewegungen auf kleinen räumlichen und zeitlichen Skalen können nicht modelliert und daher parametrisiert werden", sagt er. "Dadurch entstehen Fehler, die sich mit der Zeit anhäufen können. Daher versuchen Modellierer, diese zu reduzieren, indem sie die Auflösung erhöhen, die Genauigkeit der Parametrisierung verbessern oder numerische Algorithmen verbessern. "

Dieses Gefühl findet sich in Carl Wunschs Buch "Modern Observational Physical Oceanography" des MIT-Ozeanographen wieder, in dem der Autor erklärt, dass kein Modell eine perfekte Auflösung hat. Das bedeutet, dass einige Prozesse immer ausgelassen werden - ein Hindernis, dem die Natur nicht gegenübersteht. "Der Anwender muss feststellen, ob das Weglassen dieser Prozesse wichtig ist", schreibt Wunsch. "Selbst wenn es möglich wäre, die angenommenen Gleichungen perfekt numerisch darzustellen, existieren immer Fehler in Computercodes."

Die Suche nach MH370

Nichtsdestotrotz haben Wissenschaftler, die sich auf die Entwicklung von Meeresmodellen spezialisiert haben, massive Fortschritte in ihrem Streben nach Perfektion gemacht. Als im Juli 2015 ein Flaperon (Teil eines Flugzeugflügels) des vermissten malaysischen Fluges MH370 auf der Insel La Réunion im Indischen Ozean auftauchte, hatten Dr. Durgadoo und seine Kollegen eine brillante Idee. Mit Hilfe ihres hochmodernen Ozeanmodells argumentierten sie, dass es möglich sein sollte, herauszufinden, wo das Flugzeug abgestürzt ist.

"Die bloße Tatsache, dass Trümmer von MH370 an Stränden des Indischen Ozeans gefunden wurden, deutete darauf hin, dass sie monatelang auf der Meeresoberfläche schwammen", sagt er. "Mit der richtigen Information könnten Trajektorien in der Hoffnung simuliert werden, die mögliche Startposition des Flaperons ausfindig zu machen und damit die Lage des abgestürzten Flugzeugs zu erhellen."

Und genau das haben sie getan. Mithilfe ihres Modells und der Rückverfolgung der Trümmer mithilfe einer Lagrange-Analyse konnten die Forscher den Standort des Flugzeugs schätzen. Durgadoo beschrieb den Prozess in einem Artikel 2016. "Die Idee war, dass wir mit einem Ozeanmodell den Flaperon rechtzeitig zurückverfolgen können, um den Absturzort des Fluges zu ermitteln. Aber der Ozean ist ein chaotischer Ort; Es macht keinen Sinn, den Weg eines einzelnen 'virtuellen Flaperons' zeitlich rückwärts zu simulieren. Daher haben wir eine "Stärke in Zahlen" -Strategie verwendet, als wir im Modellmonat Juli 2015 rund fünf Millionen virtuelle Modell-Flaperons rund um La Réunion anlegten. "

Und ihre Ergebnisse waren bemerkenswert. Laut Durgadoo, "obwohl es unmöglich ist, einen genauen Standort zu bestimmen, fanden wir heraus, dass der Ursprung des Flaperons eher im Westen als im Südwesten Australiens liegt. Wichtiger ist jedoch, dass die Wahrscheinlichkeit, dass das Flaperon seine Reise vom vorrangigen Suchgebiet aus antrat, weniger als 1,3 Prozent beträgt. "

Das Team hatte sein Modell verwendet, um zu dem Schluss zu kommen, dass Suchanstrengungen in der Prioritätszone sehr unwahrscheinlich waren, um den Flug zu finden. In der Tat, mit dem Flugzeug, das heute noch fehlt, bleibt das Schicksal des Fluges MH370 ein Mysterium.

[Anmerkung der Redaktion: Seit dem Schreiben des Autors wurde die Suche nach MH370 wieder aufgenommen]

Technologie treibt Modellfortschritte voran

Damit die Meeresmodelle diesen Grad an Komplexität erreicht haben, muss die Technologie, die ihre Entwicklung vorantreibt, weit gefächert sein; von den Beobachtungseinheiten, die auf See eingesetzt werden, um genaue Daten zu erhalten, bis zu den Supercomputern auf dem neuesten Stand der Technik, die für zukünftige Vorhersagen verwendet werden.

"Entwicklungen auf der Computerhardware-Seite erlauben es, mehr Ressourcen zu verwenden", sagt Professor Danilov, "was bedeutet, dass wir Prozesse, die zuvor parametrisiert wurden, explizit auflösen können. Es besteht die Hoffnung, dass neue Computertechnologien mit GPUs - Graphics Processing Units - zu einer Steigerung des Modelldurchsatzes führen werden. "

"Auf der physischen Seite", fügt er hinzu, "werden durch moderne Technologie neue Daten verfügbar, die dazu beitragen, die in den Modellen verwendeten Parametrisierungen besser abzustimmen oder einzuschränken. Satellitenaltimetrie und Argo Floats sind von besonderer Bedeutung. "

Aber Danilov weist darauf hin, dass der Fortschritt in der Rechenleistung derzeit der Haupttreiber ist. Es ist bereits möglich, globale Modelle mit einer hohen Auflösung von etwa einem Kilometer Rastergröße zu erstellen, dh Prozesse bis zu dieser Ebene werden aufgelöst.

"Modelle, die mesoskalige Bewegungen auflösen, werden in absehbarer Zukunft Realität werden", sagt er. "Solche Modellläufe sind jedoch immer noch zu rechenintensiv, was bedeutet, dass sie viel Zeit benötigen, um viele Daten zu generieren. Daher sollte unterschieden werden zwischen dem, was prinzipiell möglich ist, und dem, was als Forschungsinstrument genutzt werden kann. "

Tatsächlich glaubt er, dass die Zukunft der Ozeanmodellierung einem ähnlichen Weg folgen könnte wie der Wettervorhersagen, wo Ensembles von Modellläufen durchgeführt werden, um ein Gefühl für mehrere mögliche zukünftige Zustände des Ozeans zu bekommen - nicht nur eines.

"Das Problem ist", sagt er, "dass selbst bei perfekten Anfangsdaten ein Horizont der Vorhersagbarkeit besteht, weil nach einer gewissen Zeit die Vorhersage schwieriger wird. Der Ozean hat eine komplizierte innere Dynamik - die chaotisch ist - und so wird ein numerisch simulierter Ozean von Beobachtungen im Laufe der Zeit abweichen. "

"Bessere Numerik und Parametrisierung werden den vorhergesagten mittleren Zustand und die Variabilität des Ozeans verbessern", sagt er. "Aber der gesamte Rechenaufwand ist ziemlich groß."

"Unsere Fähigkeit, den Ozean zu simulieren, wird sich also allmählich verbessern."

(Wie in der Mach 2018 Ausgabe von Marine Technology Reporter veröffentlicht )