Turbulence Closure Modelling in Coastal Waters

摘要

In diesem Artikel wird die Anwendung von Turbulenzschließungsmodellen in numerischen Modellen für den Küstenozean dargestellt Zwei-Gleichungs-Turbulenzschließungsmodelle stellen für die Berechnung von diapyknischen Impuls-, Wärme- und Konzentrationsflüssen im Küstenozean einen optimalen Kom-promiss zwischen Effizienz und Genauigkeit dar. Diese Modelle gewährleisten ausreichende Freiheitsgrade, um sie für die wichtigsten Eigenschaften der Vermischung im Küstenozean zu kalibrieren, sind aber immer noch numerisch robust und effizient im Bedarf an Rechenzeit Isopyknische Vermischungsschemata werden ebenfalls kurz dargestellt Die wichtigsten Aspekte der Implementierung und Numerik werden diskutiert, wobei der Schwepunkt auf der numerisch induzierten Vermischung liegt, die zusammen mit der physikalisch induzierten Vermischung erst die effektive Vermischung in Ozeanmodellen ergibt Vertikal-adaptive Koordinaten werden als eine Möglichkeit dargestellt, die numerische Vermischung zu reduzieren. Abschließend werden Beispiele von Simulationen im Küstenozean mit dem General Estuarine Transport Model (GETM) in Kopplung mit dem Turbulenzmodul des General Ocean Turbulence Model (GOTM) gezeigt. Diese Beispiele umfassen Vermischung in der Thermokline der nördlichen Nordsee, physikalisch und numerisch induzierte Vermischung in der westlichen Ostsee sowie heckenweite Vermischung in der zentralen Ostsee. Diese drei Beispiele zeigen, wie wichtig die Verwendung von gut kalibrierten Turbulenzschließungsmodellen zusammen mit vertikal-adaptiven Koordinaten in der Modellierung von Prozessen im Küstenozean ist.%In this paper the use of turbulence closure models in coastal ocean models is reviewed. Two-equation turbulence closure models are argued to be an optimal compromise between efficiency and accuracy for the purpose of calculating diapycnal fluxes of momentum, heat and tracers in coastal ocean modelling. They provide enough degrees of freedom to be calibrated to the most prominent properties of coastal ocean mixing, but are still numerically robust and computationally efficient. Isopycnal mixing schemes are briefly reviewed as well. Major implementational and numerical aspects are presented, with some focus on the inherent problem of numerically-induced mixing which together with the physically-induced mixing gives the effective mixing in ocean models. Vertically adaptive coordinates are presented as one possibility to reduce numerical mixing. Finally, three coastal ocean simulation examples from the General Estuarine Transport Model (GETM) which is coupled to the turbulence module of the General Ocean Turbulence Model (GOTM) are given. These examples include thermocline mixing in the Northern North Sea, physically and numerically induced mixing in the Western Baltic Sea as well as basin-wide mixing in the Central Baltic Sea. All three examples highlight the importance of using well-calibrated turbulence closure models together with vertically adaptive coordinates.