B A S E W E C S
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BASEWECS Beitrag zum deutschen Klimaforschungsprogram Einfluß der Ostsee und des Jahresganges der Eisbedeckung auf den Wasser- und Energiehaushalt der BALTEX-Region W. Krauss, H. U. Lass, T. Müller, u. Send, G. Dietrich, G. Liebsch, A. Lehmann BASEWECS (BAltic Sea Water and Energy Cycle Study) zielt darauf ab, den Wasser- und Energiehaushalt der Ostsee für die BRIDGE-Periode zu bestimmen und mit einer Klimatologie der Gegenwart, die auf den letzten 20 Jahren beruht, zu vergleichen. Das verbesserte Verständnis des Energie- und Wasserkreislaufes ist Voraussetzung, um mögliche Einflüsse von Klimaänderungen auf den Ostseeraum abzuschätzen. Der Verbund verwendet ein dreidimensionales gekoppeltes Meereis-Ozeanmodell der Ostsee, das von beobachteten meteorologischen Daten und Flußwassereinträgen angetrieben wird, um bestmögliche Budgets für die Ostsee zu erhalten. Diese sollen mit den Ergebnissen des BMBF-Verbund BALTIMOS verglichen und mögliche Differenzen analysiert werden. Modellanalysen und -verifikation des gekoppelten Meereis-Ostseemodells erfolgen in Zusammenarbeit mit 4 Teilprojekten. Teilprojekt A. Energie-, Wasser-, Salz- und Eisbilanz der Ostsee Teilprojekt B. Energiebilanz der turbulenten Deckschicht Die wesentlichen Komponenten, die den Energie-, Wasser- und Salzhaushalt kontrollieren, sind Ein- und Ausstrom durch die dänischen Meeresstraßen und der damit verbundene Salz- und Wärmefluß, der Flußwassereintrag, der Wärme- und Strahlungsaustausch mit der Atmosphäre, Niederschlag und Verdunstung, Meereis und die interne Vermischung (Abb. 1). Die genaue Kenntnis der einzelnen Komponenten oder deren Wirkung auf das System Ostsee sind Voraussetzung, um die Bilanzen schließen zu können. Für den Wasserhaushalt gilt es, den Flußwassereintrag, den Netto-Effekt von Niederschlag minus Verdunstung, Ein- und Ausstrom durch die Dänischen Meeresstraßen und die Schwankungen des mittleren Wasserstandes der Ostsee zu bilanzieren. Die Flußwassereinträge und die Wasserstände entlang der Küste lassen sich durch entsprechende Meßsysteme erfassen. Aufgrund der hohen Variabilität der Ein- und Ausstromlagen ist die Registrierung der Strömungsverhältnisse in der Beltsee jedoch nur mit hohem technischen Aufwand möglich. Niederschlagsmessungen auf See erweisen sich aufgrund der räumlichen und zeitlichen Variabilität ebenfalls als äußerst schwierig. Der Impulstransport von der Atmosphäre zum Ozean wird als Randbedingung an der Meeresoberfläche beschrieben, bei der der Vektor der Windschubspannung das Produkt zwischen dem vertikalen Gradienten des mittleren Stromvektors und dem vertikalen turbulenten Austauschkoeffizienten ist. Der vertikale Austauschkoeffizient ist eine komplizierte Funktion der mittleren Strömung, des Zustandes der turbulenten Strömung und der Schichtung, die in einer Form parametrisiert wird, die bisher noch nicht durch hinreichend genaue Messungen in der durchmischten Deckschicht überprüft wurde. Ein alternativer Weg, die atmosphärische Anregung des Ozeans zu beschreiben, besteht darin, eine äußere Volumenkraft einzuführen, die dem vertikalen Gradienten der Reynold‘schen Schubspannung entspricht und an die Windschubspannung an der Meeresoberfläche gekoppelt wird. Die für die Verteilung von Wärme und Salz in der durchmischten Deckschicht verfügbare turbulente Energie hängt von dem durch die Meeresoberfläche vom Wind eingetragenen Energiefluß und vom Transportmechanismus ab, der die turbulente Energie in der Deckschicht abwärts verteilt. (Abb. 1: Komponenten des Energie- und Wasserhaushaltes der Ostsee) Die Messungen der Komponenten des Energiehaushaltes ist mit weiteren Problemen verbunden. Schwierigkeiten ergeben sich aus der Bestimmung der Netto-Strahlungsaufnahme der Ostsee, die durch die Wolkenbedeckung und der Meeresoberflächentemperatur entscheidend beeinflußt wird. Die Entwicklung des Wärmeinhaltes der Ostsee ist abhängig von Schichtung, internen Wärmeflüssen und Turbulenz. Die Meereisbedeckung im Winter führt zu einer Modifikation der Impuls- und Wärmeaustauschflüsse mit der Atmosphäre. Eine Schließung der Energie- und Wasserbilanz kann deshalb nur mit konsistenten Modellen, die mit realistischen Atmosphärendaten und Flußwassereinträgen angetrieben werden, erzielt werden. Beiträge des Teilprojekts zu BASEWECS: • Modellierung von Schichtung, Strömung und Wasserstand der Ostsee während der BRIDGE-Periode als Folge beobachteter Antriebsfelder (Atmosphäre und Flußwasser) sowie die Berechnung der Energie-, Wasser-, Salz- und Eisbilanzen • Komplettierung und Analyse eines 20-jährigen Modelllaufs zur Bestimmung der gegenwärtigen Klimabedingungen der Ostsee • Validierung der Ergebnisse durch beobachtete Temperatur- und Salzgehaltsfelder, Strommessungen und Wasserständen • Einordnung der BRIDGE-Periode in die gegenwärtigen Klimabedingungen • Modellverbesserungen bezüglich der Meereis- und Deckschichtdynamik • Durchführung und Auswertung von EOPs (Enhanced Observational Period) • Bereitstellung, Analyse und Vergleich von BSIOM und BALTIMOS; Modellverbesserungen und Berechnungen der Gesamtbilanzen für die BALTEX-Region Teilprojekt C. Wassermassenaustausch durch den Fehmarnbelt Aufgrund starker zeitlicher und räumlicher Variabilität der Ein- und Ausstromverhältnisse im Bereich der Beltsee ist der Wassermassenaustausch zwischen Kattegat und Ostsee nicht genau bekannt. Darüber hinaus besteht weiterhin Ungewißheit über die relative Bedeutung der einzelnen Meeresstraßen für den Wassermassenaustausch zwischen Nord- und Ostsee. Im langjährigen Mittel werden ca. 75% durch die Belte und 25% durch den Sund transportiert. Um den Wasserhaushalt der Ostsee schließen zu können, müssen die Transporte durch die dänischen Meeresstraßen genau bestimmt werden. Mittels eines numerischen Modells soll im Rahmen des Projektes u.a. der Wasser-, Salz- und Wärmeaustausch zwischen Nord- und Ostsee bilanziert werden. Die Auflösung des Modells in den engen dänischen Meeresstraßen reicht nicht aus, um die Strömungen im Detail zu beschreiben. Um die komplizierte Physik besser zu erfassen, sind autonome Zeitserienstationen, die systematisch und routinemäßig Informationen über die Strömungen und Wassermasseneigenschaften liefern, an Schlüsselpositionen in den Ein- und Ausstromregionen nötig. Der kombinierte Einsatz dieser neuen Beobachtungen und numerischer Modelle macht dann eine Schließung der Bilanzgleichungen für den Wasser- und Energiehaushalt des BALTEX-Gebiets möglich. Abb. 2: Turbulente Durchmischungsprozesse im Ozean Die genaue Modellierung dieses Vorganges in Ozean-Zirkulationsmodellen hängt von der physikalisch richtigen Parametrisierung der daran beteiligten Prozesse ab. Es gibt Hinweise darauf, daß diese Parametrisierung verbessert werden muß, da die Rolle der Oberflächenwellen bei der Entstehung und der vertikalen Verteilung der Turbulenz in der Deckschicht bisher nicht adäquat berücksichtigt wird. Beiträge des Teilprojekts zu BASEWECS: • Messung des vertikalen Profils der turbulenten kinetischen Energie und der Reynold‘schen Schubspannungen als auch der Dissipation der turbulenten kinetischen Energie in der durchmischten Deckschicht der Ostsee bei verschiedenen Anregungs- und Schichtungsbedingungen. • Berechnung des Energiehaushalts der kleinskaligen Turbulenz in der durchmischten Deckschicht der Ostsee und Untersuchung ihrer Abhängigkeit von Wind und Schichtung. • Berechnung der turbulenten Austauschkoeffizienten für Impuls in der Deckschicht der Ostsee aus Profilmessungen der Reynold‘schen Schubspannungen und der mittleren Strömung. • Intensive Datengewinnung (Zeitreihenmessungen der Schichtung und Strömung auf der Darßer Schwelle und Schichtungsmessungen in der Ostsee) • Beitrag zur Modelvalidation und Datenassimilation (Parametrisierung der Turbulenz in der durchmischten Schicht der Ostsee) Teilprojekt D. Monitoring des Wasserstandes der Ostsee mit verschiedenen Methoden zur Validierung ozeanographischer Modelle Die Genauigkeit und Operativität geodätischer Verfahren zur Bestimmung von Punktpositionen bzw. Meereshöhen hat sich in den letzten Jahren stark verbessert, insbesondere aufgrund der Weiterentwicklung von Satellitenmethoden (Global Positioning System - GPS, Altimetrie). Auch hinsichtlich der Genauigkeit der vorhandenen Geoidmodelle und der Zugänglichkeit zu nationalen Höheninformationen im Ostseeraum sind erhebliche Fortschritte zu verzeichnen. Damit ist es möglich geworden, Meereshöhen in einem einheitlichen Bezugssystem (Geoid) mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern anzugeben. Ziel des Teilprojektes ist es, derartige Informationen über Meereshöhen und Meereshöhenänderungen sowohl im Küstenbereich als auch auf offener See zu gewinnen. Dazu sollen Küstenpegel und Satellitenaltimetermessungen genutzt sowie permanente GPS- und Pegelmessungen auf MARNET-Stationen durchgeführt werden. Die so erhaltenen Zeitreihen bzw. Profile sollen dazu dienen, die im Teilprojekt A modellierten Meereshöhen zu validieren. Beiträge des Teilprojekts zu BASEWECS: • • • • Bestimmung von Meeresspiegeländerungen durch in-situ Messungen in der offenen Ostsee Bestimmung von Meereshöhen aus Fernerkundungsdaten sowie aus Küstenpegelmessungen Reduktion und Vergleich der gemessenen Meereshöhen Validierung ozeanographisch modellierter Meeresspiegelvariationen Abb. 2: Karte vom Fehmarnbelt mit Verankerungsposition und CTD/ADP Schnitten Der Fehmarnbelt (Abb. 2) ist etwa 20 km breit und 30 m tief, und verbindet die größeren Becken der Ostsee im Osten mit der Beltsee im Westen. Die Implementierung einer verankerten Zeitserienstation im Fehmarnbelt wird zum wissenschaftlichen Verständnis der Mechanismen, die die Strömung in dieser Region kontrollieren, beitragen und wird andere Teilprojekte (Modellierung und Assimilation; Teilprojekte A und D) unterstützen. Gemessen werden zeitlich und vertikal hochaufgelöste Zeitreihen von Strömungen, Temperatur, Druck und Salzgehalt (Abb. 3). Pegelmessungen auf beiden Seiten des Fehmarnbelts erlauben eine Abschätzung des barotropen, geostrophisch balancierten Transports durch den Belt. Mithilfe von schiffgestützten Vermessungen (Schiffs-ADP und CTD) soll untersucht werden, wie repräsentativ die Messungen an einer Station für die angrenzende Region sind. Alle Daten werden zum Zweck der Kalibrierung und Validierung den Modellen bereitgestellt (Teilprojekte A und D). Beiträge des Teilprojekts zu BASEWECS: • • • • Kontinuierliche Messung von Temperatur, Salzgehalt und Strömung (ADP) im Fehmarnbelt Untersuchungen über die Kontrollmechanismen für den Transport im Fehmarnbelt 3 Forschungsfahrten pro Jahr in den Fehmarnbelt und der angrenzenden Region zur Messung von Schichtung und Strömung (Schiffs-ADP) Bereitstellung der Daten für das Modell und Abschätzung, wie repräsentativ Messungen an einer Station für die Berechnung des Transportes durch den gesamten Querschnitt sind Abb. 3: Temperatur, Salzgehalt und Strömungen im Fehmarnbelt (in 26 m Tiefe) (Abb. 5: Meßverfahren)