Nahtlose Modellierung der atmosphärischen Zusammensetzung mit ICON-ART

Projekt-ID: ICON-ART

Einleitung

ICON-ART ist das Modell der nächsten Generation für die nahtlose Simulation von numerischer Wettervorhersage, Klimavorhersage und Modellierung der atmosphärischen Zusammensetzung. Es ist ein gemeinsames Entwicklungsprojekt von DWD (Deutscher Wetterdienst), MPI-M (Max-Planck-Institut für Meteorologie), DKRZ (Deutsches Klimarechenzentrum) und KIT (Karlsruher Institut für Technologie). Am IMK-ASF konzentrieren sich die Simulationen auf das Verständnis von Zusammensetzung-Klima-Wechselwirkungen sowie von atmosphärischen chemischen und mikrophysikalischen Prozessen auf verschiedenen Skalen.

Projektbeschreibung

Dieses ICON-ART HPC-Projekt zielt auf die Analyse atmosphärischer chemischer Prozesse und ihrer Wechselwirkungen mit dem Klimasystem ab.
Das ICON-ART-Modellsystem ist das wichtigste Werkzeug, das eingesetzt wird. Komponenten sind das nicht-hydrostatische Modellsystem ICON (ICOsahedral Non-hydrostatic) (Zängl et al., 2015) und das Modul für Aerosole und reaktive Spurengase (ART). ICON löst die prognostischen Variablen auf einem unstrukturierten Dreiecksgitter, das auf einer rekursiven Verfeinerung eines sphärischen Ikosaeders basiert. Die vertikale Diskretisierung wird in einem höhenbasierten, geländefolgenden Koordinatensystem formuliert. Hier wird die Smooth Level Vertical (SLEVE)-Koordinatenimplementierung verwendet.

Die Integration in der Zeit wird mit einem expliziten Zwei-Ebenen-Prädiktor-Korrektor durchgeführt. Unterschiedliche Zeitschritte werden einerseits für den dynamischen Kern und andererseits für Tracer-Advektion, numerische Dissipation und physikalische Parametrisierung verwendet. Aus Gründen der Effizienz werden die physikalischen Parametrisierungen weiter aufgeteilt in schnelle physikalische Routinen (Turbulenz, Mikrophysik, Sättigungsanpassung) und langsame physikalische Routinen (Strahlung). Die schnellen Physik-Routinen werden in jedem Physik-Zeitschritt aufgerufen, während die langsamen Physik-Routinen ein benutzerdefiniertes Vielfaches des Physik-Zeitschritts aufgerufen werden. Um die Integration numerisch stabil zu halten, wird der dynamische Kern in Bezug auf die Tracer-Advektion, die schnellen physikalischen Parametrisierungen und die horizontale Diffusion unterteilt. In der Regel wird der im dynamischen Kern verwendete Zeitschritt auf 1/5 des schnellphysikalischen Zeitschritts gesetzt.

Das Modul ART berücksichtigt die Wechselwirkungen zwischen atmosphärischen Spurenstoffen (Gasen und Partikeln) und dem Zustand der Atmosphäre innerhalb einer numerischen Wettervorhersage/Klima. Technisch gesehen folgt das ART-Modul dem Prozess-Splitting-Konzept, das für die meisten Prozesse in ICON verwendet wird. Für weitere Details zur numerischen und technischen Implementierung von ART in ICON siehe Rieger et al. (2015), Schröter et al. (2018) und Weimer et al. (2021).

Mit ICON-ART untersuchen wir, wie neue Erkenntnisse aus der Analyse von Beobachtungsdaten zur Zusammensetzung der Atmosphäre in numerische Modellparametrisierungen umgesetzt werden können und wie Änderungen in der Beschreibung von physikalischen und chemischen Prozessen in der Atmosphäre die Auswirkungen von kurzlebigen Treibhausgasen (wie Methan oder Ozon) auf den Strahlungsantrieb der Atmosphäre verändern.
Die Forschung mit ICON-ART konzentriert sich insbesondere auf die Untersuchung des Einflusses der natürlichen Klimavariabilität und insbesondere der verschiedenen Prozesse, die mit der solaren Variabilität zusammenhängen, auf das Klimasystem, auf die Untersuchung von Änderungssignalen, die durch das Ozonloch verursacht werden, und auf den Einfluss der mittleren Atmosphäre in Form von Änderungen des stratosphärischen Ozons auf die troposphärischen OH-Mengen und damit auf die Oxidation des Treibhausgases Methan, auf die Emission und den Transport von Treibhausgasen wie z. B. Methan, auf die Berechnung des Strahlungsantriebs der Atmosphäre, auf den Einfluss von kurzlebigen Treibhausgasen auf den Strahlungsantrieb der Atmosphäre.z. B. Methan, auf die Berechnung des effektiven Strahlungsantriebs und der Auswirkungen verschiedener Halogenszenarien auf das Oberflächenklima sowie auf die Simulation troposphärischer Wasserdampf-Isotopologe als Werkzeug zum Testen modellbasierter Darstellungen der Feuchtigkeitswege von der Quelle zur Senke mit seiner isotopologenfähigen Modellversion ICON-ART-Iso (Eckstein et al, 2018).

Literaturangaben

Eckstein, J., et al.: From climatological to small-scale applications: simulating water isotopologues with ICON-ART-Iso (version 2.3), Geosci. Model Dev., 11, 5113–5133, https://doi.org/10.5194/gmd-11-5113-2018, 2018.

Rieger, D., et al., ICON–ART 1.0 – a new online-coupled model system from the global to regional scale, Geosci. Model Dev., 8, 1659-1676, doi:10.5194/gmd-8-1659-2015, 2015.

Schröter, J., et al.: ICON-ART 2.1: a flexible tracer framework and its application for composition studies in numerical weather forecasting and climate simulations, Geosci. Model Dev., 11, 4043-4068, https://doi.org/10.5194/gmd-11-4043-2018, 2018.

Weimer, M., et al.: Mountain-wave-induced polar stratospheric clouds and their representation in the global chemistry model ICON-ART, Atmos. Chem. Phys., 21, 9515–9543, https://doi.org/10.5194/acp-21-9515-2021, 2021.

Zängl, G., et al., The ICON (ICOsahedral Non-hydrostatic) modelling framework of DWD and MPI-M: Description of the non-hydrostatic dynamical core. Q.J.R. Meteorol. Soc., 141: 563–579. doi:10.1002/qj.2378, 2015.