Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung des hochauflösenden Atmosphärenmodells ASAMgpu. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Grobstrukturmodell bei dem gröbere Strukturen mit typischen Skalen von Deka- bis Kilometern in der atmosphärischen Grenzschicht explizit aufgelöst werden. Hochfrequentere Anteile und deren Dissipation müssen dabei entweder explizit mit einem Turbulenzmodell oder, wie im Falle des beschriebenen Modells, implizit behandelt werden. Dazu wurde der Advektionsoperator mit einem dissipativen Upwind-Verfahren dritter Ordnung diskretisiert. Das Modell beinhaltet ein Zwei-Momenten-Schema zur Beschreibung mikrophysikalischer Prozesse. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die verwendete thermodynamische Variable, die einige Vorteile herkömmlicher Ansätze vereint. Im Falle adiabatischer Prozesse stellt sie eine Erhaltungsgröße dar und die Quellen und Senken im Falle von Phasenumwandlungen sind leicht ableitbar. Außerdem können die benötigten Größen Temperatur und Druck explizit berechnet werden. Das gesamte Modell wurde in C++ implementiert und verwendet OpenGL und die OpenGL Shader Language (GLSL) um die nötigen Berechnungen auf Grafikkarten durchzuführen. Durch diesen Ansatz können genannte Simulationen, für die bisher Supercomputer nötig waren, sehr preisgünstig und energieeffizient durchgeführt werden. Neben der Modellbeschreibung werden die Ergebnisse einiger erfolgreicher Test-Simulationen, darunter drei Fälle mit mariner bewölkter Grenzschicht mit flacher Cumulusbewölkung, vorgestellt.

Turbulente Austauschprozesse in der atmosphärischen Grenzschicht spielen eine Schlüsselrolle beim vertikalen Impuls-, Energie- und Stofftransport in der Erdatmosphäre. In meso- und globalskaligen Atmosphärenmodellen sind turbulente Austauschprozesse jedoch subskalig und müssen unter Verwendung geeigneter Schliessungsansätze parametrisiert werden. Hierbei spielt die Spezifikation der charakteristischen Turbulenzlängenskala in Abhängigkeit vom Stabilitätszustand der Atmosphäre eine entscheidende Rolle. Gegenwärtig verwendete Ansätze, die auf der Verwendung der turbulenten Mischungslänge für neutrale Schichtung sowie dimensionsloser Stabilitätsfunktionen basieren, zeigen vor allem Defizite im oberen Bereich der konvektiven Grenzschicht sowie in der Entrainmentzone, wo starke vertikale Gradienten auftreten. In der vorliegenden Arbeit wurden hochaufgelöste dreidimensionale Grobstruktursimulationen der trockenen und feuchten Grenzschicht für ein weites Spektrum von Labilitätsbedingungen durchgeführt. Erste und zweite Momente atmosphärischer Strömungsvariablen wurden aus den simulierten hydro- und thermodynamischen Feldern berechnet und diskutiert. Die Spektraleigenschaften turbulenter Fluktuationen der Strömungsvariablen, das raumzeitliche Verhalten kohärenter Strukturen sowie charakteristische Turbulenzlängenskalen wurden abgeleitet. Eine Verifizierung der charakteristischen Turbulenzlängenskalen erfolgte durch Vergleich mit Ergebnissen früherer numerischer Simulationen, mit Turbulenzmessungen in der atmosphärischen Grenzschicht sowie mit Laborexperimenten. Mit Hilfe der nichtlinearen Datenmodellierung wurden leicht verwendbare Approximationen der charakteristischen Turbulenzlängenskalen abgeleitet und deren statistische Signifikanz diskutiert. Unter Verwendung dieser Approximationen wurde ein existierendes Parametrisierungsmodell revidiert und mit Hilfe von Grobstruktursimulationen verifiziert. Desweiteren wurde der Einfluß der turbulenten Mischungslänge auf die Prognose mesokaliger Felder untersucht. Hierzu wurde mit dem Lokal-Modell des Deutschen Wetterdienstes eine entsprechende Sensitivitätsstudie durchgeführt. Anhand von Satellitendaten und Analysedaten aus der 4D-Datenassimilation wurden die Simulationsergebnisse verifiziert.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung des hochauflösenden Atmosphärenmodells ASAMgpu. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Grobstrukturmodell bei dem gröbere Strukturen mit typischen Skalen von Deka- bis Kilometern in der atmosphärischen Grenzschicht explizit aufgelöst werden. Hochfrequentere Anteile und deren Dissipation müssen dabei entweder explizit mit einem Turbulenzmodell oder, wie im Falle des beschriebenen Modells, implizit behandelt werden. Dazu wurde der Advektionsoperator mit einem dissipativen Upwind-Verfahren dritter Ordnung diskretisiert. Das Modell beinhaltet ein Zwei-Momenten-Schema zur Beschreibung mikrophysikalischer Prozesse. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die verwendete thermodynamische Variable, die einige Vorteile herkömmlicher Ansätze vereint. Im Falle adiabatischer Prozesse stellt sie eine Erhaltungsgröße dar und die Quellen und Senken im Falle von Phasenumwandlungen sind leicht ableitbar. Außerdem können die benötigten Größen Temperatur und Druck explizit berechnet werden. Das gesamte Modell wurde in C++ implementiert und verwendet OpenGL und die OpenGL Shader Language (GLSL) um die nötigen Berechnungen auf Grafikkarten durchzuführen. Durch diesen Ansatz können genannte Simulationen, für die bisher Supercomputer nötig waren, sehr preisgünstig und energieeffizient durchgeführt werden. Neben der Modellbeschreibung werden die Ergebnisse einiger erfolgreicher Test-Simulationen, darunter drei Fälle mit mariner bewölkter Grenzschicht mit flacher Cumulusbewölkung, vorgestellt.

Turbulente Austauschprozesse in der atmosphärischen Grenzschicht spielen eine Schlüsselrolle beim vertikalen Impuls-, Energie- und Stofftransport in der Erdatmosphäre. In meso- und globalskaligen Atmosphärenmodellen sind turbulente Austauschprozesse jedoch subskalig und müssen unter Verwendung geeigneter Schliessungsansätze parametrisiert werden. Hierbei spielt die Spezifikation der charakteristischen Turbulenzlängenskala in Abhängigkeit vom Stabilitätszustand der Atmosphäre eine entscheidende Rolle. Gegenwärtig verwendete Ansätze, die auf der Verwendung der turbulenten Mischungslänge für neutrale Schichtung sowie dimensionsloser Stabilitätsfunktionen basieren, zeigen vor allem Defizite im oberen Bereich der konvektiven Grenzschicht sowie in der Entrainmentzone, wo starke vertikale Gradienten auftreten. In der vorliegenden Arbeit wurden hochaufgelöste dreidimensionale Grobstruktursimulationen der trockenen und feuchten Grenzschicht für ein weites Spektrum von Labilitätsbedingungen durchgeführt. Erste und zweite Momente atmosphärischer Strömungsvariablen wurden aus den simulierten hydro- und thermodynamischen Feldern berechnet und diskutiert. Die Spektraleigenschaften turbulenter Fluktuationen der Strömungsvariablen, das raumzeitliche Verhalten kohärenter Strukturen sowie charakteristische Turbulenzlängenskalen wurden abgeleitet. Eine Verifizierung der charakteristischen Turbulenzlängenskalen erfolgte durch Vergleich mit Ergebnissen früherer numerischer Simulationen, mit Turbulenzmessungen in der atmosphärischen Grenzschicht sowie mit Laborexperimenten. Mit Hilfe der nichtlinearen Datenmodellierung wurden leicht verwendbare Approximationen der charakteristischen Turbulenzlängenskalen abgeleitet und deren statistische Signifikanz diskutiert. Unter Verwendung dieser Approximationen wurde ein existierendes Parametrisierungsmodell revidiert und mit Hilfe von Grobstruktursimulationen verifiziert. Desweiteren wurde der Einfluß der turbulenten Mischungslänge auf die Prognose mesokaliger Felder untersucht. Hierzu wurde mit dem Lokal-Modell des Deutschen Wetterdienstes eine entsprechende Sensitivitätsstudie durchgeführt. Anhand von Satellitendaten und Analysedaten aus der 4D-Datenassimilation wurden die Simulationsergebnisse verifiziert.