Effiziente Finite Elemente Simulation der Meereisdynamik
Meereis spielt eine wesentliche Rolle im globalen Klimasystem. Als
Grenzschicht verhindert es den turbulenten Wärmeaustausch und wirkt
als Isolator zwischen Ozean und Atmosphäre.
Durch schneebedecktes Meereis wird der größte Teil der einfallenden
Sonnenstrahlung reflektiert. Dies führt zur Temperaturminderung im
Ozean und verstärkt die Zunahme des Eises (Eis-Albedo-Rückkopplung).
Neben Messungen vor Ort sowie Fernerkundung durch Satelliten nehmen
numerische Simulationen der Meereisdynamik eine wichtige Rolle im
Prozess zum besseren Verständnis ein. Simulationen dienen
einerseits zur Vorhersage, wesentlich aber auch zur Modellbildung und
zur Identifikation der bestimmenden Vorgänge.
Numerische Meereismodelle sind fester Bestandteil aller globalen
Klimamodelle. Durch eine genauere Abbildung der Meereisdynamik in
diesen Modellen kann ein tieferes Verständnis der natürlich und
anthropogen bedingten Ursachen von Klimaschwankungen geschaffen
werden.
Historisch begann die mathematische Modellierung und Simulation der
Meereisdynamik in der 60er und 70er Jahren des letzten
Jahrhunderts. Mathematische Modelle und numerische Methoden wurden
Hand in Hand entwickelt und in bestehende komplexe Tools zur
Simulation der Klimadynamik eingebettet. Zumeist werden noch heute
Methoden eingesetzt, die ihren Ursprung in dieser Zeit haben. Moderne
Techniken, die im Wissenschaftlichen Rechnen Einzug erhalten
haben (etwa Adaptivität, hohe Ordnung,
Mehrgitterverfahren) finden in der Meereisdynamik bisher kaum
Verwendung.
Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines modernen Finite
Elemente Schemas zur Meereis-Simulation. Die zentrale Herausforderung bei der Meereis-Simulation besteht in der Lösung der Gleichungen auf sehr feinen Gittern. Feine Gitter sind notwendig um Modellsimulationen mit Satellitendaten abzugleichen und diese zu validieren oder hoch aufgelöste Meeressimulationen für Wettervorhersagen zu manchen.
Die in der Literatur existierenden nichtlinearen Löser sind auf feinen Gittern mit starker Struktur nicht robust. Die Entwicklung robuster nichtlinear Löser ist ein zentrales Thema in der Forschung zur Meereis-Simulation. Durch den Einsatz moderner numerischer Methoden soll ein Beitrag zur robusteren Meereis-Simulation geleistet werden.
Verlässliche Klimainformationen sind ein Mehrwert für das
Risikomanagment, die Entscheidungsträger und die Gesellschaft. Durch
genauere Darstellung der Meereisdynamik wird ein Beitrag geleistet, um
das Umweltbewusstsein der Menschen zu fördern und das Naturerbe
Arktischer Lebensraum zu bewahren.
Das Promotionsvorhaben wird in engem Austausch mit dem
Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven
durchgeführt.