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Titel: Assessing and Reducing the Uncertainty in Regional Wave and Coupled Wave-Atmosphere Models during Extreme Events
Sprache: Englisch
Autor*in: Wiese, Anne Jasmin
Schlagwörter: Coupled Model; Atmosphere; Ocean Surface Waves; Extreme Events; Uncertainty
Erscheinungsdatum: 2020
Tag der mündlichen Prüfung: 2020-12-09
Zusammenfassung: 
Large waves during heavy weather can threaten the safety of vessels out on the ocean, therefore, for all activities conducted at sea, good knowledge about weather and wave conditions is inevitable for the safety of humans at sea. However, the uncertainties in atmosphere and wave models are large during those extreme events. This study discloses possible paths for operational forecast but also for hindcast and climate studies to improve and reduce uncertainties.

The thesis starts with showing the importance of high-quality and high temporal resolved wind forcing to the wave model. When using the wave model on the regional scale in the North Sea, hourly wind forcing is necessary for the wave model in order to have a chance to properly depict the extreme events. With the coarser temporal resolution of six hours of the wind forcing, the peak in wind speed can be missed, since the peak can occur in between update times. This circumstance leads to underestimation of the significant wave height of the wave model with the majority of the wind forcing data. Thus, an hourly temporal resolution proved to be a key factor for simulating extreme events with the wave model in this study. Furthermore, the quality of the newly available Sentinel-3A satellite data is assessed in comparison with older satellite missions, namely Jason-2 and CryoSat-2. The focus is on the coastal zone, where the data quality of satellites tends to change for the worse. The data quality has been improved for Sentinel-3A compared to the other two, especially in the coastal zone. Still the data quality is not accurate enough compared to in situ observations to strictly force the wave model to the data measured by Sentinel-3A, but the data can be used to guide the model towards an improved best-guess wave field.

This is then followed by studies about the impacts waves can have on the atmosphere in a coupled wave-atmosphere model. The results support the finding of an underestimation of the roughness length over the ocean by the atmospheric model compared to the one calculated by the wave model. The enhanced roughness results in a reduction of 10 m wind speed and significant wave height, leading to better agreement with observational data. Also it is shown, that the differences between the coupled simulation, in which the roughness length is calculated by the wave model, and the reference simulation, in which the roughness length is calculated within the atmospheric model, can spread within the planetary boundary layer.

The question of uncertainties of coupled and reference simulations as well as the significance of differences between them is then examined in the third part of the thesis using ensemble simulations. The analysis conducted in this thesis shows that the differences between coupled and reference ensemble are significant during the majority of the time. Large differences in 10 m wind speed and significant wave height occur at the same time as peaks in 10 m wind speed, hence during extreme events. For the majority of these events the differences are larger than the internal variability and, therefore, can be clearly differentiated from one another. Furthermore, it is shown that the internal variability in the atmospheric model can be reduced when coupling the wave model to it. When using spectral nudging or different boundary conditions in the atmospheric model, the differences between coupled and reference ensemble in 10 m wind speed and significant wave height are very similar, while the differences in mean sea level pressure are more sensitive and can show some deviations from one another.

Thus, this thesis exposes possible paths to reduce the uncertainty in wave and atmosphere model results. First, the necessity of high-quality and high temporal resolved wind fields for the regional wave model during extreme events is shown. Second, the coupling between the wave and atmosphere model reduces the uncertainty in both models and enhances the accordance with observational data.

Hohe Wellen bei schwerem Wetter gefährden die Sicherheit von Schiffen auf See maßgeblich. Daher ist für alle Aktivitäten auf dem Wasser eine gute Kenntnis der Wetter- und Wellenbedingungen für die Sicherheit der Menschen auf See unumgänglich. Die Unsicherheiten in den Atmosphären- und Wellenmodellen sind jedoch bei Extremereignissen ausgeprägt. Diese Studie zeigt mögliche Wege für die Reduktion der Unsicherheiten und die Verbesserung operationeller Vorhersagen, aber auch von Hindcast- und Klimastudien, auf.

Zu Beginn dieser Arbeit wird die Wichtigkeit von qualitativ hohem und zeitlich hoch aufgelöstem Windantrieb für das regionale Wellenmodell gezeigt. Bei der Nutzung des Wellenmodells auf der regionalen Skala in der Nordsee sind stündliche Windfelder nötig, damit das Wellenmodell die Möglichkeit hat, Extremereignisse korrekt abzubilden. Mit einer gröberen zeitlichen Auflösung des Windes von sechs Stunden kann es sein, dass das Maximum in der Windgeschwindigkeit zwischen den Aktualisierungszeitpunkten liegt und somit nicht abgebildet wird. Dies führt mit der Mehrzahl der Winddaten zu einer Unterschätzung der signifikanten Wellenhöhe in dem Wellenmodell. Somit erweist sich in dieser Studie eine stündliche zeitliche Auflösung als ein Schlüsselfaktor für die Simulation von Extremereignissen mit dem Wellenmodell. Darüber hinaus wird die Qualität der neu verfügbaren Sentinel-3A-Satellitendaten im Vergleich zu älteren Satellitenmissionen wie Jason-2 und CryoSat-2 bewertet. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Küstenbereich, in dem sich die Datenqualität der Satelliten tendenziell verschlechtert. Es konnte gezeigt werden, dass die Qualität der Daten von Sentinel-3A verglichen mit den beiden älteren Satelliten verbessert wurde. Dies trifft insbesondere auf den Küstenbereich zu. Die Datenqualität ist im Vergleich zu in-situ-Messungen allerdings immer noch nicht genau genug, um das Wellenmodell strikt an die von Sentinel-3A gemessenen Daten zu zwingen. Die Daten sind dennoch nützlich, um das Best-Guess-Wellenfeld an in-situ-Daten anzunähern.

Im nächsten Schritt folgen Studien über die Auswirkungen, die die Wellen in einem gekoppelten Wellen-Atmosphären-Modell auf die Atmosphäre haben können. Die Ergebnisse unterstützen die Erkenntnis einer Unterschätzung der Rauhigkeitslänge über dem Ozean durch das Atmosphärenmodell im Vergleich zu der durch das Wellenmodell berechneten. Diese erhöhte Rauigkeit führt zu einer Verringerung der 10 m Windgeschwindigkeit und der signifikanten Wellenhöhe, wodurch eine verbesserte Übereinstimmung mit Beobachtungsdaten erzielt wird. Außerdem wird gezeigt, dass sich die Unterschiede zwischen der gekoppelten Simulation, bei der die Rauhigkeitslänge durch das Wellenmodell berechnet wird, und der Referenzsimulation, bei der die Rauhigkeitslänge innerhalb des atmosphärischen Modells berechnet wird, in der planetaren Grenzschicht ausbreiten können.

In dem dritten Teil der Arbeit wird die Frage der Unsicherheiten von und der Signifikanz der Unterschiede zwischen gekoppelten und Referenzsimulationen anhand von Ensemblesimulationen untersucht. Die in dieser Arbeit durchgeführte Analyse zeigt, dass die Unterschiede zwischen gekoppeltem und Referenzensemble die meiste Zeit über signifikant sind. Große Unterschiede in der 10 m Windgeschwindigkeit und der signifikanten Wellenhöhe treten zur gleichen Zeit wie Spitzen in der 10 m Windgeschwindigkeit und somit bei Extremereignissen auf. Die Unterschiede sind bei der Mehrheit dieser Ereignisse größer als die interne Variabilität und somit klar voneinander unterscheidbar. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die interne Variabilität in dem Atmosphärenmodell reduziert werden kann, wenn dieses mit dem Wellenmodell gekoppelt wird. Selbst wenn spektrales Nudging oder unterschiedliche Randbedingungen in dem atmosphärischen Modell verwendet werden, sind die Unterschiede zwischen dem gekoppelten und dem Referenzensemble in der 10 m Windgeschwindigkeit und der signifikanten Wellenhöhe sehr ähnlich. Die Unterschiede in dem Luftdruck hingegen können voneinander abweichen.

Diese Dissertation zeigt daher Möglichkeiten auf, wie die Unsicherheit in den Ergebnissen von Wellen- und Atmosphärenmodellen reduziert werden kann. Erstens wird die Bedeutung von qualitativ hohen und zeitlich hoch aufgelösten Windfeldern für das regionale Wellenmodell bei Extremereignissen dargestellt. Zweitens reduziert die Kopplung zwischen dem Wellen- und Atmosphärenmodell die Unsicherheit in beiden Modellen und verbessert die Übereinstimmung mit Beobachtungsdaten.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/9094
URN: urn:nbn:de:gbv:18-ediss-93703
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Staneva, Joanna
Schrum, Corinna
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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