Räuber-Beute-Modelle zur Konvektionsparametrisierung

Die Wettermodelle haben auch heute noch das Problem, dass die Rechenleistung einfach nicht ausreicht, um an jedem Punkt auf der Welt das Wetter zu modellieren. Sie modellieren deshalb das Wetter nur an bestimmten Punkten, die einen gewissen Abstand zueinander haben. Und hier ergibt sich ein Problem. Denn der Abstand zwischen den einzelnen Modellpunkten beträgt häufig bis zu 30km. Viele Prozesse, die unser Wetter bestimmen sind allerdings viel kleiner. Zum Beispiel sind die meisten Regen- und Gewitterwolken nur 1-10km groß. Alle diese Prozesse können dann nicht vom Modell direkt berechnet werden und müssen irgendwie auf der Modellskala approximiert werden. Dabei spricht man von sogenannten Parametrisierungen.

Ein interessanter Ansatz, Regen- und Gewitterwolken zu parametrisieren, ist die Verwendung eines Räuber-Beute-Schemas. Die Idee dahinter ist, dass Wolken zum Wachsen eine instabile Atmosphäre brauchen. Dass also die Temperatur mit der Höhe stark abfällt und viel Wasserdampf/Luftfeuchtigkeit vorhanden ist. Wenn nun eine Wolke wächst, transportiert sie Wärme in höhere Schichten und entfernt den Wasserdampf durch Regen. Sie reduziert also die Instabilität der Atmosphäre und machst es ihr selbst und allen anderen Wolken schwerer, noch zu wachsen. Es ist also so, dass viele verschiedene Wolken um die Ressource der Instabilität, die sie zum Wachsen brauchen, konkurrieren.

Solch ein Konzept lässt sich in der Natur immer wieder finden. Zum Beispiel im Wald, in dem viele Pflanzen um das Sonnenlicht konkurrieren oder der Zusammenhang zwischen Füchsen und Hasen, zwischen Raubvögeln und Mäusen… Die Liste lässt sich beliebig erweitern. Kurz: immer wieder, wenn Spezies um begrenzte Ressourcen konkurrieren oder eine Spezies die Ressource für die andere Spezies darstellt, ist das selbe naturgegebene Konzept am Werk. Und dieses Konzept lässt sich auf relativ einfach mathematisch formulieren. Über eine Form der Räuber-Beute Gleichungen kann man bestimmen, wie sich die Spezies zeitlich und zukünftig entwickeln werden.

Und auch auf unser Problem, Regenwolken zu parametrisieren, lässt sich eine Form der Räuber-Beute Gleichungen anwenden. Mit den genauen Einzelheiten möchte ich sie nicht langweilen, doch im Endeffekt lässt sich somit eine ganze Menge von verschieden großen Wolken entwickeln, deren Effekte auf die Modellskala man berechnen und in das Modell einfügen kann. Und das alles bei relativ wenig Rechenkosten.

Wirklich beeindruckend, auf wie viele Bereiche man dieses Konzept von Räuber und Beute oder Verbrauchern und Ressourcen erweitern kann.