Projektseminar numerische Klimasimulation Mo 10:00-11:30Uhr Raum 3065, Philipp Inhalt: - Theoretische und praktische Grundlagen der numerischen Klimasimulation.

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1 Projektseminar numerische Klimasimulation Mo 10:00-11:30Uhr Raum 3065, Philipp Inhalt: - Theoretische und praktische Grundlagen der numerischen Klimasimulation - Programmierung eines Energiebilanzmodells mit der Programmiersprache FORTRAN90 - Experimente mit komplexen Modellen auf dem Augsburger Linux Compute Cluster

2 Projektseminar numerische Klimasimulation Mo 10:00-11:30Uhr Raum 3065, Philipp Voraussetzung: - Vordiplom/Zwischenprüfung Leistungen: - Vorbereitung von wöchentlichen Übungs- aufgaben, Kurzbeiträgen - Modelllauf durchführen - Abschlussbericht über Theorie und Praxis

3 Projektseminar numerische Klimasimulation Theorie: - Einordung & Systematik von Modellen -Begriffe und grundsätzliche Funktionsweise - Auswertung und Bewertung Praxis: -Linux-Grundkenntnisse -Rechnerinfrastruktur -FORTRAN90-Sprache, Compilerbedienung -Graphische Auswertung Begleitend: FORTRAN-Tutorium

4 Modelle: vereinfachte Abbildung der Realität Systematik und Begriffe 0-dimensional 1-dimensional 2-dimensional 3-dimensional Komplexität Strömungsmodelle Hydrologische Modelle ökologische Modelle deskriptiv/konzeptionell/selektivkomplex/realitätsnah gekoppelte Modelle Erdsystem- modelle Ozeanmodelle Energiebilanzmodelle analytische Lösungennumerische Lösungen

5 Modelle: vereinfachte Abbildung der Realität Einordnung in Methodenspektrum Beobachtung Gesetzmäßigkeit Erkenntnisgewinn Gesetzmäßigkeit Beobachtung numerische Simulation statistische Analyse empirisch-induktiv: Schluss vom Speziellen auf das Allgemeine logisch-deduktiv: Schluss vom Allgemeinen auf das Spezielle

6 Beispiel Energiebilanz der Erde Welche Temperatur ergibt sich für die Erde als Ganzes in Abhängigkeit der Strahlungsbilanz und -parameter? Enegiebilanz der Erde (von Storch 1999)

7 Beispiel Energiebilanz der Erde Welche Temperatur ergibt sich für die Erde als Ganzes in Abhängigkeit der Strahlungsbilanz und -parameter? die wichtigsten beteiligten Faktoren: - input: kurzwellige Solarstrahlung: - Reflexion (Albedo) - Umwandlung in Wärme (Wärmekapazität) - langwellige Ausstrahlung (Temperatur) - Gegenstrahlung (Transmissivität) - output: langwellige Wärmestrahlung

8 Beispiel Energiebilanz der Erde Welche Temperatur ergibt sich für die Erde als Ganzes in Abhängigkeit der Strahlungsbilanz und -parameter? Teilsystem: Strahlungsbilanz: strahlungsbilanz = strahlungsinput_kw - strahlungsoutput_kw - strahlungsoutput_lw strahlungsinput_kw = 342.0 [W/m**2 = (J/sec)/m**2] strahlungsoutput_kw = input_kw * albeo [%] strahlungsoutput_lw = abhängig von: - Erdtemperatur - Transmissivität

9 Beispiel Energiebilanz der Erde Welche Temperatur ergibt sich für die Erde als Ganzes in Abhängigkeit der Strahlungsbilanz und -parameter? Teilsystem: Strahlungsbilanz: strahlungsoutput_lw = abhängig von: - Erdtemperatur - Transmissivität (Josef)Stefan-(Ludwig)Boltzmann-Gesetz: output_lw = Emissionsgrad * sigma * T**4 Emissionsgrad = 0.95 [-] sigma (SB-Konstante) = 5.6704 * 10 -8 [W/m 2 K 4 ] T (Erdmitteltemperatur)= 273.15 [K]

10 Beispiel Energiebilanz der Erde Welche Temperatur ergibt sich für die Erde als Ganzes in Abhängigkeit der Strahlungsbilanz und -parameter? Teilsystem: Strahlungsbilanz: strahlungsoutput_lw = (Emissionsgrad * sigma * T**4) * Transmissivität Emissionsgrad = 0.95 [-] sigma (SB-Konstante) = 5.6704 * 10 -8 [W/m 2 K 4 ] T (Erdmitteltemperatur)= 273.15 [K] Transmissivität der Atmosphäre = 0.64262 [-]

11 Beispiel Energiebilanz der Erde Welche Temperatur ergibt sich für die Erde als Ganzes in Abhängigkeit der Strahlungsbilanz und -parameter? ! kurzwelliger Strahlungsoutput strahlungsoutput_kw = strahlungsinput_kw * albedo ! langwelliger Strahlungsoutput strahlungsoutput_lw = (sbkonstante * temperatur**4 * emissionsgrad) * transmissivitaet ! strahlungsbilanz strahlungsbilanz = strahlungsinput_kw - strahlungsoutput_kw - strahlungsoutput_lw Teilsystem Strahlungsbilanz:

12 Praxis: Programmierung mit FORTRAN90 sourcecode > pico hallo.f90 compiler executable > ifort hallo.f90>./a.out hallo Fortran-Anweisungen in Textdatei schreiben Übersetzen und Binden: neue binäre Datei mit Maschinencode Ausführen wie normalen Linux- befehl

13 Praxis: Programmierung mit FORTRAN90 Aufbau und Syntax eines Programms program main implicit none real(kind=8) :: rvar1 real(kind=8) :: rvar2 rvar1=2.0 rvar2=0.9282 rvar1=rvar1*rvar2 write(*,*)rvar1 end program main Beginne Programm “main” lasse nur deklarierte Variablen zu Real-Variable “rvar1” deklarieren Real-Variable “rvar2” deklarieren setze rvar auf Wert 2.0 setze rvar auf Wert 0.9282 Berechne rvar1*rvar2 und schreibe das Ergebnis anschl. in rvar1 gebe den Wert von rvar1 aus beende das Programm “main”

14 Praxis: Programmierung mit FORTRAN90 wichtige Sprachelemente - Kommentarzeichen: “!” - Variablendeklarartion: “Typ :: Name” - Interne Wertzuweisung: “Name = [Zahl oder Formel]” - Input von Werten: “read(*,*) Name” - Output von Werten: “write(*,*) Name” - Ablaufsteuerung do-Schleife: Anweisung mehrmals ausführen - Ablaufsteuerung if-Anweisung: Anweisung nur bei erfüllter Bedingung ausführen