Zirkulationsmodelle

Zirkulationsmodelle sind computergestützte Modelle, die die großskalige Zirkulation von Fluidsystemen wie der Atmosphäre oder dem Ozean abbilden. Sie dienen der Untersuchung, Vorhersage und Projektion der Verteilung von Massen, Energie und Impuls in Systemen, in denen sich Luft oder Wasser bewegen. Je nach Anwendungsgebiet unterscheiden sich atmosphärische Zirkulationsmodelle, ozeanische Zirkulationsmodelle und gekoppelte Klima- oder Zirkulationsmodelle.

Atmosphärische Zirkulationsmodelle simulieren die Bewegung der Luft auf globaler oder regionaler Ebene und bilden Wettersysteme, Zyklonen und Großzirkulationen wie Hadley- oder Walker-Zirkulation ab. Ozeanische Zirkulationsmodelle fokussieren die Strömungen, Temperatur- und Salzgehalte im Meer. Gekoppelte Modelle kombinieren beide Systeme und berücksichtigen Wechselwirkungen wie Wolken, Strahlung und Eis.

Methodisch basieren Zirkulationsmodelle auf den Gleichungen der Fluiddynamik, insbesondere den Navier-Stokes- oder primitiven Gleichungen, sowie Energie- und Strahlungsbilanzgleichungen. Numerische Lösungen erfolgen auf Gitternetzen durch Finite-Differenzen, Finite-Elemente oder spektrale Verfahren; Subgrid-Prozesse wie Konvektion, Wolkenbildung, Turbulenz und Meereis werden durch Parameterisierungen behandelt. Datenassimilation dient der Initialisierung und Validierung gegen Beobachtungsdaten.

Anwendungsfelder umfassen Numerical Weather Prediction, Klimasimulationen, Projektionen zukünftiger Klimaszenarien und die Untersuchung großskaliger Zirkulationsmuster. Typische Herausforderungen sind räumliche Auflösung, Unsicherheiten in Parameterisierungen, Bias-Fehler und hoher Rechenaufwand. Die Geschichte reicht von einfachen Modellen in der Mitte des 20. Jahrhunderts bis zu modernen, globalen gekoppelten Modellen, die umfangreiche Klimasimulationen ermöglichen.