LIMA-Modellbeschreibung

Das Leibniz-Institute Middle Atmosphere model

LIMA (Leibniz-Institute Middle Atmosphere model) ist ein neues Zirkulationsmodell der mittleren Atmosphäre, das auf dem Vorläufer  COMMA/IAP (Cologne Model of the  Middle Atmosphere/Institute of Atmospheric Physics, Kühlungsborn) basiert. LIMA ist ein globales 3-d Gitterpunktmodell, dass sich mit einer Vertikalauflösung von 1,1 km vom Erdboden bis in die untere Thermosphäre (0 – 150 km) erstreckt. Als physikalische Prozesse werden  Dynamik, Strahlung und mesosphärische Chemie berechnet.

Horizontale Gitterstruktur

LIMA löst in horizontaler Richtung die nichtlinearen atmosphärischen Grundgleichungen auf einer Quasi-Dreicksgitterstruktur, einem sogenannten reduzierten Gauss’schen Gitter. Die für GCMs extrem kleine Maschenweite von ~110 km erlaubt hierbei eine modellinterne Beschreibung einer Vielzahl von atmosphärischen Wellen, aufgrund dessen auf den Gebrauch einer sonst üblichen mesosphärischen Schwerewellen-Parametrisierung verzichtet werden kann. Das horizontale Gitter aus LIMA beschreibt die Oberfläche einer Sphäre mit einer Anzahl diskreter Punkte, die in einer Weise angeordnet sind, dass jeweils drei benachbarte Punkte ein Dreieck mit ähnlicher Kantenlänge aufspannen. LIMA besitzt also keine exakte Ikosaeder-Struktur sondern folgt stattdessen einem reduzierten Gauss’schen Gitteransatz, der in einer ähnlichen Weise schon seit einigen Jahren in den operationellen Wettervorhersagemodellen des ECMWF (European Center for Medium-Range Weather Forecasts) verwendet wird. Hierbei wird auf jedem einzelnen Breitenkreis eine vorbestimmte Anzahl von Längenpunkten in der Weise definiert, dass jedes Längensegment unabhängig von seiner Breitenposition eine möglichst identische geometrische Größe besitzt. Abbildung A zeigt eine mögliche Realisation einer solchen LIMA-Dreiecksgitterstruktur auf einer Sphäre mit einer fast uniformen Maschenweite von 270 km, die durch 6812 horizontale Punkte beschrieben wird. Die operationelle Version von LIMA besitzt 41804 Punkte je Schicht, die entsprechend sphärische Dreiecke mit Kantenlängen von 110 km aufspannen, was über niederen Breiten einer Spektralmodellauflösung mit T 120 entspricht. Gegenwärtig verwendet LIMA einen Arakawa-A Gittertyp bei dem alle meteorologischen Variablen auf gleichen Eckpunkten definiert sind. Zukünftig sollen auch Arakawa-B bzw. -C Typen eingeführt werden, indem ein zweites Dreiecksgitter auf das A-Gitter überlagert werden kann.

Datenassimilation

LIMA bindet Realdaten aus ECMWF-Analysen mittels einer vereinfachten Assimilationsmethode  ein. Hierbei werden zusätzliche  Antriebsterme (‚Nudging-Terme’) in die Modellgleichungen eingeführt, deren Beitrag die untere Modellatmosphäre zwingt, sich dem beobachteten Zustand anzunähern. Die ‚Nudging’- Methode oder auch Newton’sches Relaxationsverfahren genannt, ist eine einfache aber flexible numerische Technik. Hierbei wird der reale Zustand der Troposphäre und unteren Stratosphäre durch Parameter wie Temperatur, Horizontalwinde und Bodengeopotential aus ECMWF-Datensätzen repräsentiert. Der ECMWF-Datensatz, den  LIMA benutzt, besitzt eine globale horizontale Auflösung von 1° x 1° mit 21 Druckniveaus (1000 - 1 hPa) und ist alle 6 Stunden für 0, 6, 12, and 18 UT definiert. Der ERA-40 Datensatz erlaubt einen Zugriff auf die Jahre 1981 bis 2001, die Daten für den Zeitraum 2002 bis heute werden aus dem operationellen ECMWF-Datenarchiv entnommen. Der quasi-tagesaktuelle, mit 36 h Zeitverzug, eintägige ECMWF-Datensatz des gegenwärtigen Datums wird automatisch ‚online’ einmal am Tag in das LIMA-Archiv transferiert, worauf anschließend eine 24-stündige LIMA-Simulation startet. Abbildung B zeigt einen Schnappschuss der LIMA-Modellatmosphäre und den entsprechenden Realzustand der unteren Atmosphäre aus ECMWF-Daten zum 10. Januar 2005 (0:00 UT) für die Breite 53,5N (Kühlungsborn).  Der Bereich der Tropo- und unteren Stratosphäre ist in LIMA durch die Assimilation sehr nahe am realen Zustand, der Bereich der oberen LIMA-Atmosphäre ist durch hochvariable Wellenmuster geprägt, die ihren Ursprung in der unteren Atmosphäre haben.

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Veröffentlichungen (Auswahl)

Ansprechpartner

Dr. Uwe Berger

LIMA-Dreiecksgitter

Beispiel eines LIMA-Dreiecksgitters mit einer Maschenweite von 270 km (6812 sphärische Eckpunkte). Die operationelle Version besitzt 41804 Eckpunkte (Maschenweite 110 km).

Datenassimilation

Schnappschuss zur Datenassimilation für die Breite 53,5N am 10. Januar 2005 (0:00 UT) aus LIMA. Oben links: ECMWF-Daten des Zonalwinds (m/s). Oben Mitte: ECMWF-Daten des Meridionalwinds (m/s). Oben rechts: ECMWF-Daten der Temperatur (K). Untere Leiste: Entsprechende LIMA-Daten des Zonalwinds (m/s), Meridionalwinds (m/s) und der Temperatur (K).