FORMOSA (FOur dimensional Research applying Modeling and Observations for the Sea and the Atmosphere) ist ein Projekt im Rahmen des Leibniz-Wettbewerbs und läuft von 2020 bis 2023. Neben dem IAP und dem IOW sind weitere nationale und internationale Partner beteiligt.

Wissenschaftliche Hintergründe

Dynamische Prozesse in der Atmosphäre und im Ozean sind von entscheidender Bedeutung für die Umverteilung von Energie, Impuls und Tracern auf globaler, regionaler und lokaler Ebene. Leider sind einige grundlegende dynamische Prozesse nur unzureichend verstanden. Ein wichtiger Teil der Dynamik betrifft den Übergang von größeren zu kleineren Skalen, an dem unter anderem Schwerewellen und Turbulenzen beteiligt sind. Aufgrund der Ähnlichkeit der beteiligten physikalischen Prozesse befasst sich FORMOSA mit einem atmosphärischen (IAP) und einem ozeanografischen Teil (IOW, Leibniz-Institut für Ostseeforschung, Warnemünde).

Der Übergang von größeren zu kleineren Skalen in der Atmosphäre ist nur unzureichend verstanden, vor allem weil die Komplexität der strömungsbedingten Vorgänge, die einen weiten Bereich zeitlicher und räumlicher Skalen (10⁶–10⁻² m; Jahre bis Sekunden) abdecken, eine einfache Modellierung nicht zulässt. In einigen Fällen besteht nicht einmal Einigkeit über die zugrunde liegenden physikalischen Konzepte. So gibt es beispielsweise keinen Konsens hinsichtlich der Interpretation des universellen Verhaltens der in der Atmosphäre beobachteten Schwerewellen-Spektren. In großräumigen Modellen werden die Auswirkungen von Schwerewellen aufgrund begrenzter Rechenkapazitäten typischerweise parametrisiert, wobei ihre räumliche Komplexität und zeitliche Intermittenz außer Acht gelassen werden. Darüber hinaus ignorieren solche Parametrisierungen die Rolle von Schwerewellen in horizontalen Energiekaskaden. Stattdessen werden diese Kaskaden in der Regel durch Ad-hoc-Maßnahmen ausgeglichen, die grundlegende physikalische Gesetze außer Acht lassen.

Herkömmliche Messverfahren decken nur einen bestimmten Teil des Strömungsfeldes ab und sind hinsichtlich ihrer räumlichen und/oder zeitlichen Auflösung begrenzt. So messen beispielsweise die meisten Lidar- und Radarsysteme nur in vertikaler Richtung. Satellitengestützte Verfahren erfassen Daten auf globaler Ebene, sind jedoch hinsichtlich der vertikalen und zeitlichen Auflösung eingeschränkt. Bei der Ableitung von Beobachtungsparametern wird häufig von Stationarität ausgegangen. Beobachtungen und Simulationen bestätigen, dass diese Annahmen viel zu idealistisch sind.

Der Kerngedanke des atmosphärischen Teils dieses Vorhabens besteht darin, die jüngsten Fortschritte bei den am IAP entwickelten Lidar- und Radartechnologien zu nutzen, um erstmals den dynamischen, thermischen und chemischen Zustand (Aerosole, Metalle) der Atmosphäre über einen großen vertikalen (10–120 km) und horizontalen (bis zu mehreren 100 km) Bereich mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung quasi permanent zu untersuchen. Wir bezeichnen diese Beobachtungen als „vierdimensional“, 4D. Die vorhandene Infrastruktur, d. h. die Lidar- und Radarsysteme in Kühlungsborn und am ALOMAR, soll in das Gesamtkonzept eingebunden werden. Dies ermöglicht es erstmals, räumliche und zeitliche Schwankungen über einen großen Skalenbereich hinweg zu untersuchen. Die Beobachtungen werden durch verschiedene komplexe Simulationen ergänzt, um die beteiligten physikalischen Prozesse besser zu verstehen und ihre Anwendbarkeit auf Modelle im globalen Maßstab zu untersuchen. Auch im Ozean geht man davon aus, dass Turbulenzen durch eine nach unten gerichtete Energiekaskade entstehen, bei der die Wechselwirkung von internen Wellen untereinander, mit Wirbeln und mit der Topografie eine entscheidende Rolle spielt. Turbulenzen im Ozean sind vor allem aufgrund ihrer Fähigkeit relevant, Wasser unterschiedlicher Dichte zu vermischen – mit wichtigen Auswirkungen auf die Dynamik des Ozeans und die Umwälzströmung. Vertikale (z. B. mikrostrukturelle) Profilierungstechniken lieferten zwar wertvolle Informationen zum Verständnis der Faktoren, die die Turbulenzen im Ozean steuern, jedoch nur mit einer Auflösung, die zu grob ist, um Strukturen mit horizontalen Skalen von 1–100 m aufzulösen. Dazu gehören die Skalen einzelner Shear-Instabilitäten (z. B. Kelvin-Helmholtz-Wellen) sowie der wichtige submesoskalige Bereich. Beide stellen entscheidende Glieder in der Energiekaskade dar, über die bislang nur wenig bekannt ist. Wir schlagen einen Schritt zur Überbrückung dieser Auflösungslücke vor, indem wir Beobachtungen der Turbulenzmikrostruktur mit Multibeam-Echolotsystemen kombinieren, was es uns erstmals ermöglichen wird, einen detaillierten dreidimensionalen Einblick in submesoskalige und kleinräumige turbulente Prozesse zu gewinnen.