Arbeitspaket M2: Groß- und mikroskaliges Nesting

Kontaktinformationen

Projektleiter: ​Dr. Björn Maronga , ​Prof. Dr. Siegfried Raasch

Mitarbeiter: ​Dr. Matthias Sühring

Institution: Institute of Meteorology and Climatology (​http://www.muk.uni-hannover.de/), Leibniz Universität Hannover (​https://www.uni-hannover.de/)

Zielsetzung des Teilprojekst WP-M2

Für die Untersuchung stadtklimatischer Fragestellungen ist es notwendig alle dafür relevanten physikalischen Prozesse zu berücksichtigen, welche einen weiten Skalenbereich abdecken, angefangen von kleinskaligen Effekten im Bereich weniger Meter (Einfluss einzelner Bäume oder Gebäude), über regionale Skalen (Wärmeinseleffekt), bis hin zu synoptischen Skalen. Um alle relevanten Skalen in der Simulation aufzulösen, müssten Simulationen für große Modellgebiete bei gleichzeitig sehr feiner Gitterweite durchgeführt werden, was jedoch bei der heute zur Verfügung stehenden Rechenleistung kaum oder nur mit sehr hohem Aufwand durchführbar ist. Eine Alternative dazu bietet die Nesting-Technik, bei der größerskalige Prozesse in einem großen Modellgebiet auf einem gröberen Gitter, und gleichzeitig kleinerskalige Prozesse in einem kleineren darin eingebetteten Modellgebiet mit feinem numerischen Gitter simuliert werden, sodass alle relevanten Prozesse für die entsprechende Fragestellung berücksichtigt werden können. Das Ziel dieses Teilprojektes ist es verschiedene Nesting-Methodiken zu implementieren. Diese sollen es zum einen ermöglichen PALM-4U mithilfe externer Simulationsdaten aus regionalen Klimamodellen oder Messdaten anzutreiben, zum anderen soll ein rekursives Nesting zur Verfügung stehen. Damit wird es möglich sein, Teilgebiete mit feiner Auflösung eingebetttet in ein größeres Simulationsgebiet mit gröberer Auflösung zu simulieren.

Arbeitsprogramm

WP-M2.1: PALM-4U Nesting in größerskaligen Modellen

Zeitabhängige synoptisch- oder mesoskalige Daten in Form von mittleren Wind-,Temperatur-, und Feuchteprofilen aus größerskaligen Modellen sollen als Antrieb für PALM-4U Simulationen dienen. Dieses eindimensionale Nesting soll zunächst im RANS-Modus implementiert werden und auf verschiedene Arten realisiert werden. Zum einen werden zeitabhängige Profile an den seitlichen Rändern des Modellgebietes vorgegeben, und zum anderen sollen größerskalige Änderungen und Tendenzen auf den mittleren Zustand der Simulation aufgeprägt werden. Die zweite Methodik erfordert weitere Anpassungen für heterogene Landoberflächen. Eine Datenschnittstelle für das Einbinden von COSMO und ICON Daten wird in Kooperation mit Arbeitspaket WP-D3 implementiert. Das eindimensionale Nesting wird ausreichend getestet und bewertet werden.

WP-M2.2: Rekursives Nesting – PALM-4U-ZOOM

Das rekursive Nesting soll es erlauben, größerskalige Simulationen auf einem groben Gitter sowie darin eingebettete kleinerskalige Simulationen mit einem feinen Gitter durchzuführen. Dazu werden zweidimensionale Daten aus der größerskaligen Simulation an den seitlichen Rändern der kleinerskaligen Simulation übergeben. Entsprechende Schnittstellen werden dazu in Arbeitspaket WP-M2.2 entwickelt. Das rekursive Nesting wird ausreichend getestet und bewertet werden.

WP-M2.3: Nesting im LES-Modus

Nesting im LES-Modus benötigt eine dreidimensionale Kopplung zwischen der größer- und der kleinerskaligen Simulation. Dazu werden die Daten aus der größerskaligen Simulation auf das feinere Gitter interpoliert. Nach jedem Zeitschritt der kleinerskaligen Simulation werden die Daten entsprechend wieder auf das gröbere Gitter zurückinterpoliert. Wird eine turbulenzauflösende LES in eine Simulation im RANS-Modus eingebettet, bei der turbulente Transporte vollständig parametrisiert sind, müssen an den seitlichen Rändern des LES Modellgebietes entsprechend Randbedingungen für die Turbulenz generiert werden. Dazu wird entweder ein synthetischer Turbulenzgenerator benutzt, oder ein turbulentes Recycling, bei dem ein Turbulenzsignal aus dem Inneren des LES Simulationsgebietes abgegriffen und an den seitlichen Rändern aufgeprägt wird. Das dreidimensionale Nesting im LES-Modus wird ausreichend getestet und bewertet werden.