Von einem 7-km-Modell zu AMM15 und zurück zu Copernicus
Die Ozeanvorhersagen des Met Office für den nordwesteuropäischen Schelf reichen weit zurück: 2019 lieferte das System seit mehr als 15 Jahren Produkte, aufgebaut auf FOAM, seinen Forecasting Ocean Assimilation Models. Diese Meere sind überwiegend flach und stark von den Gezeiten geprägt, belebt von Fischerei, Öl, Gas und erneuerbaren Energien, und ihre Küsten sind Überflutungen durch hohe Gezeiten, Wellen und Sturmfluten ausgesetzt. 8 Jahre lang stammten die an Copernicus Marine und dessen Vorgängerprojekte gelieferten Vorhersagen von AMM7, einem Modell mit einem 7-km-Gitter. Es gab die großräumige Zirkulation des Schelfs wieder, nicht aber seine kleinen Wirbel, Frontenjets oder internen Gezeiten.
AMM15, das Atlantic Margin Model mit 1,5 km, wurde vom Met Office und dem National Oceanography Centre im Rahmen ihres Joint Weather and Climate Research Programme entwickelt und im Februar 2018 von Graham und Kollegen vorgestellt. Der Schritt war teuer: etwa 15-mal so viele Wasserzellen wie AMM7 und etwa 400 Knotenstunden pro Tag gegenüber 20. Ein 30-jähriger Lauf ohne Datenassimilation verbesserte den mittleren Zustand insgesamt, außerhalb des Schelfs stärker als auf ihm, und ließ die systematischen Fehler der Nordsee weitgehend unverändert. Die Autoren warnten, dass ein feineres horizontales Gitter allein nicht im ganzen Gebiet Verbesserungen bringen werde.
Zwei Testjahre, 2016 und 2017, neben AMM7 gerechnet, dienten der Entscheidung, ob es weitergehen sollte, und Anfang November 2018 begannen die Echtzeitvorhersagen mit AMM15. Tonani und Kollegen beschrieben dieses erste System 2019: eine 6-Tage-Vorhersage, auf Wunsch von Copernicus Marine vom IFS des ECMWF angetrieben, in etwa 4 Stunden auf 48 Knoten des Cray XC40 des Met Office berechnet. Das Qualitätsdokument des Produkts verzeichnet die Kopplung an ein Wellenmodell als wissenschaftliche Aktualisierung im September 2020.
Dann kam ein Bruch. Das vom Met Office geführte Konsortium mit dem deutschen Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH), dem National Oceanography Centre und dem Plymouth Marine Laboratory verließ den Copernicus-Dienst, und ab November 2023 war das gleichnamige Produkt ein Auszug aus dem System des Produktionszentrums IBI, während das Met Office AMM15 über seinen eigenen UK Marine and Climate Advisory Service anbot. Im November 2025 kehrte das System des Met Office unter einem neuen Konsortium zurück, mit einer 7-Tage-Vorhersage; Copernicus führt nun das BSH an der Spitze auf, mit dem Met Office, dem Plymouth Marine Laboratory und Hereon. Das Qualitätsdokument nennt es dem vor November 2023 verfügbaren System ähnlich und berichtet, dass eine von Copernicus finanzierte interne Studie jenes bei Gezeiten und Meerestemperatur besser als den IBI-Auszug und ansonsten vergleichbar fand.
Die Wissenschaft: die Gezeiten in den Gleichungen
AMM15 ist eine regionale Konfiguration von NEMO v3.6 (Nucleus for European Modelling of the Ocean), dem Ozeancode, der auch hinter der Zirkulation von SMOC steht, hier eingerichtet für ein von den Gezeiten beherrschtes Meer. Die Gezeiten sind über dem größten Teil des Schelfs die Hauptquelle der Variabilität, daher hat das Modell eine nichtlineare freie Oberfläche: Seine Schichten dehnen sich und werden zusammengedrückt, wenn das Wasser steigt und fällt. Die kurzen Zeitskalen der Gezeiten verlangen, die Rechnung in zwei Teile aufzuspalten: Die über die Tiefe gemittelte Strömung rückt etwa alle 3,5 Sekunden vor, der Rest alle 60 Sekunden. Die Reibung am Meeresboden folgt einer logarithmischen Schicht, die vertikale Durchmischung einem Turbulenzschema mit generischer Längenskala.
Die Gezeiten werden im Modell berechnet, nicht hinzugefügt. Sie treten auf zwei Wegen ein: entlang der offenen Ränder als 11 Partialtiden (M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1, Q1, M4, MS4, MN4), entnommen der Lösung TPXO7.2 mit 1/12°, und als Gleichgewichtsgezeit. Von dort breiten sie sich durch die eigene Physik des Modells über den Schelf aus, über der Bathymetrie von EMODnet aus dem Jahr 2015, umgerechnet vom niedrigstmöglichen Gezeitenwasserstand auf den mittleren Meeresspiegel. SMOC arbeitet anders: Es addiert eine über die Tiefe gemittelte Gezeit aus FES2014 zu einer ohne Gezeiten berechneten Zirkulation. Bei AMM15 gehen Gezeiten und Zirkulation als eine einzige Strömung aus denselben Gleichungen hervor.
Das Modell rechnet auf einem gedrehten Gitter, dessen Pol so verlegt ist, dass ein falscher Äquator das Gebiet kreuzt und die Zellen von Süd nach Nord etwa gleich groß bleiben. Die Fachartikel und das Qualitätsdokument nennen etwa 1,5 km in beiden Richtungen, das Produkthandbuch 1/60°. Das Produkt liefert es interpoliert auf ein reguläres Gitter von 1/33° in der Länge mal 1/74° in der Breite, etwa 2 km mal 1,5 km bei 50°N. Das ist feiner als der interne Rossby-Radius auf dem Schelf, in der Größenordnung von 4 km, sodass sich Wirbel und Fronten mit nur wenig zusätzlicher Viskosität berechnen lassen. In der Vertikalen hat es 51 Schichten, die dem Meeresboden folgen, von etwa 0,3 m Dicke in flachem Wasser bis 99 m im tiefsten, interpoliert auf 33 Standardtiefen.
Der Ozean ist stündlich in beide Richtungen mit dem Wellenmodell WAVEWATCH III v4.18 gekoppelt. Die Wellen wirken über drei Terme auf die Strömung: den Schub auf das Wasser, verändert durch Wellenwachstum und -dissipation; die Stokes-Coriolis-Kraft in der Impulsgleichung; und eine von der Wellenhöhe abhängige Rauigkeit der Meeresoberfläche. Das Wellenmodell wiederum spürt die Oberflächenströmung. Die Oberflächenströmung selbst ist die erste Modellschicht, nicht interpoliert: 1 m dick, wo das Meer tiefer als 50 m ist, anderswo dünner. Ihr wird keine Stokes-Drift hinzugefügt, anders als bei der Gesamtströmung von SMOC, die Zirkulation, Gezeiten und Stokes-Drift summiert. Sie enthält die kleine Nettobewegung des Wassers unter durchziehenden Wellen nicht.
Wie ein Modelllauf berechnet wird
Jeden Tag wird ein Lauf gerechnet, ab 00 UTC. Er beginnt mit zwei Analysezyklen über die beiden vorangegangenen Tage, von 48 bis 24 Stunden zurück und von 24 Stunden zurück bis zum Start, und rechnet dann die Vorhersage 168 Stunden voraus. In jedem Zyklus läuft das Modell zunächst einen Tag lang und wird mit den Beobachtungen zum Zeitpunkt ihrer Messung verglichen; NEMOVAR, ein 3D-Var-Schema, ermittelt dann Korrekturen an Temperatur, Salzgehalt, Geschwindigkeit und Meeresspiegelhöhe, die dynamisch im Gleichgewicht bleiben; ein letzter Lauf bringt sie schrittweise ein. Die Analyse von vor 24 Stunden startet den Lauf des nächsten Tages, und das weite Fenster lässt auch spät eintreffende Beobachtungen zu.
Das System assimiliert die Meeresoberflächentemperatur von Schiffen, Driftbojen und verankerten Bojen sowie von Satelliten (AVHRR, SEVIRI, VIIRS, AMSR2); Temperatur- und Salzgehaltsprofile von Argo-Floats, Gleitern und anderen Instrumenten; und die Meeresspiegelanomalie entlang der Bahnspuren aus den Altimetern von Cryosat, AltiKa, Jason-3, Sentinel-3 und Sentinel-6. Altimetrie und Modell werden von den Gezeiten bereinigt, bevor die Korrekturen ermittelt werden, und die Gezeiten werden danach wieder hinzugefügt, sodass sie die des Modells bleiben. Keine gemessene Strömung wird assimiliert: Die Geschwindigkeiten ändern sich nur durch ihr Gleichgewicht mit den anderen Feldern, und die zur Validierung verwendeten HF-Radare bleiben außerhalb der Analyse.
Über dem Meer treibt das globale Unified Model des Met Office das System an, seine stündlichen und dreistündlichen Felder werden direkt als Flüsse aufgebracht. AMM15 ist einseitig eingebettet: An seinem atlantischen Rand liefert das globale 1/12°-Modell ORCA12 des Met Office Temperatur, Salzgehalt, Meeresspiegelhöhe und tiefenintegrierte Strömungen, und an seinem Ostseerand liefert das Ostseemodell von Copernicus Temperatur, Salzgehalt und tiefenintegrierte Strömungen. Die Abflüsse der Flüsse stammen aus einer täglichen Klimatologie von Pegeldaten, gemittelt über 1980–2014, mit einer älteren für darin fehlende große Flüsse, etwa entlang der französischen und norwegischen Küsten. Es sind für das Datum typische Abflüsse, nicht die des Tages.
Copernicus Marine hat für die tägliche Veröffentlichung ein Ziel von 12:00 UTC; beobachtet wurde die Veröffentlichung der stündlichen Oberflächenströmung etwa zwischen 08:50 und 10:15 UTC, wobei die beiden Analysetage neu geschrieben und die vorherige Vorhersage ersetzt werden. Tagesmittel über 25 Stunden, die die Gezeiten entfernen, und viertelstündliche Oberflächenfelder stehen neben den stündlichen, mit einem rollierenden Zwei-Jahres-Archiv. Das Modell rechnet von etwa 45°N bis 63°N und bis etwa 20°W hinaus; das verbreitete Rechteck ist etwas kleiner, 46°N bis 62,74°N und 16°W bis 13°E, auf 958 × 1240 Punkten, davon etwa 724.500 Wasser. Alle Gitterpunkte in der Ostsee und im Kattegat südlich von 57,25°N sind maskiert.
Auf See
AMM15 deckt den Ärmelkanal und die Straße von Dover ab, die Nordsee bis über Shetland hinaus, die Irische See und den St.-Georgs-Kanal, die Keltische See, die Gewässer rund um die Bretagne, den Westen Irlands und Schottlands, den Pentland Firth, das Skagerrak und die Biskaya nur bis 46°N nach Süden: Die Iberische Halbinsel und das Mittelmeer liegen außerhalb. Sein Gitter zeichnet mehr von diesen Gewässern als ein globales: In einem Quadrat von ±0,08° um den Raz Blanchard, auch Alderney Race genannt, hat das 1/12°-Gitter von SMOC 4 Wasserpunkte und das von AMM15 60, wie Saily WR im November 2026 gemessen hat. Das ist mehr Detail, und ein stärkerer Strom kann darin sichtbar werden; keines von beiden beweist, dass der Strom stimmt.
Die Validierung der Produzenten, über 2022 und 2023, ist bei den Gezeiten als Wasserhöhe am belastbarsten. An 146 Pegeln an offenen Küsten zeigt die wichtigste halbtägige Partialtide, M2, eine mediane Amplitudendifferenz von 0,22 % (0,26 cm, mit einer mittleren quadratischen Abweichung von 9,54 cm bei einer medianen Amplitude von 128,77 cm) und eine mediane Zeitdifferenz von 8,2 Minuten, mit einer mittleren quadratischen Abweichung von etwa 21 Minuten. Die größten Zeitfehler finden sie in der Deutschen Bucht, wo die Untiefen und ein nahe gelegener amphidromischer Punkt die Phase schwer bestimmbar machen, sowie im Skagerrak und im Kattegat, wo die Gezeiten klein sind. Diese Zahlen erzählen vom Steigen und Fallen des Meeres, nicht von seinem Strom.
Der Strom selbst ist schwerer zu prüfen: Die Produzenten nennen modellierte Strömungen mangels Daten sehr schwer zu bewerten und lassen sie in der Zusammenfassung ihrer Ergebnisse aus. Sie vergleichen ihn mit drei HF-Radarsystemen. In der Deutschen Bucht liegt die Korrelation bei etwa 0,9 für die Gezeitenströme und 0,7 für den Reststrom; im Skagerrak schneidet der Reststrom besser ab als die kleine Gezeit; vor Bergen, in der Norwegischen Rinne, ist die Korrelation bei beiden niedrig. Tonani und Kollegen fanden den Gezeitenstrom von AMM15 im März 2017 näher an den Radaren der Deutschen Bucht als den von AMM7, mit einer kleineren mittleren quadratischen Abweichung überall dort, wohin die Radare reichen. Keines dieser Radare steht im Ärmelkanal, in der Irischen See oder vor der Bretagne, sodass diese Zahlen wenig über den Strom in einer bestimmten Stromkabbelung aussagen.
In Küstennähe hat das Modell eigene Grenzen. NEMO 3.6 kann Flächen nicht trockenfallen und wieder überfluten lassen, daher ist eine Mindesttiefe von 10 m vorgegeben: Im Modell steht Wasser, wo der Meeresboden tatsächlich trockenfällt, und die Ausbreitung der Gezeiten ist in solchen Tiefen falsch. Das Produkthandbuch rät davon ab, die Felder direkt zu verwenden, wo große Flächen flacher als 10 m sind, und nennt das Wattenmeer; der Konfigurationsartikel ergänzt die Küste von East Anglia, den Bristolkanal, die Morecambe Bay und den Solway Firth. Ein Hochwasser eines Flusses fehlt in der Vorhersage, und ein Gitter von etwa 2 km kann den Wirbel hinter einem Felsen nicht zeichnen: Tonani und Kollegen schreiben, dass Küstenprozesse nicht vollständig aufgelöst werden. An einem Gezeitentor oder in Landnähe bleiben Gezeitenstromatlanten und Seehandbücher die Referenz.
AMM15 in Saily WR
Saily WR übernimmt die stündliche Oberflächenströmung von AMM15 aus dem öffentlichen Speicher von Copernicus Marine, auf ihrem eigenen Gitter, von H+0 bis H+168 des Laufs jedes Tages. Ein Server lädt jeden neuen Lauf herunter, sobald er veröffentlicht ist, und die Seite „Daten“ zeigt live, mit welchem Lauf von AMM15 die App arbeitet, wie weit er reicht und welches Rechteck er abdeckt. Wie es die Copernicus-Marine-Lizenz verlangt, werden die Daten überall genannt, wo sie angezeigt werden: „E.U. Copernicus Marine Service Information (CMEMS)“.
Es gibt nichts zu wählen: In seinen Gewässern segelt eine Route von selbst in AMM15, über SMOC. Jenseits von H+168 oder wo keiner der vier AMM15-Punkte um die Route herum Wasser hat, nimmt die Route SMOC. Eine Gitterzelle, die Land berührt, behält AMM15, allein aus ihren Punkten mit Wasser: Auf SMOC, ein viel gröberes Gitter, wechselt die Route nur in einem Hafen oder einer Durchfahrt, die AMM15 nicht sieht.
Am Rand des Gebiets, namentlich bei 46°N, wechselt die Route ohne Übergang von einer Strömung zur anderen, sodass die Strömung, auf die sie trifft, dort springen kann. Die Zusammenfassung der Route nennt jede Strömung, die sie durchquert hat, der Reihe nach, zum Beispiel „AMM15, dann SMOC“; bei einer Route, die in mehreren gesegelt ist, nennt die Routentabelle, auf dem Bildschirm und gedruckt, die Quelle jedes Schlags, und die CSV-Datei hat eine Spalte „Strömungsquelle“. Auf der Routenkarte zeigt die Ebene „Strömung“ AMM15 in seinen Gewässern und die globale Strömung um sie herum.
Stellt Copernicus die Veröffentlichung ein, bleibt der letzte Lauf in Gebrauch, solange seine Schritte die Zeit abdecken, auch wenn er Tage alt ist. Auf einem langen Törn, dessen Zeitschritt Stunden dauert, behält ein Schlag über seine ganze Länge einen einzigen Strömungswert, obwohl die Gezeit etwa alle 6 Stunden kentert, sodass die auf einem starken Strom gewonnene Zeit überschätzt werden kann. Bei sehr schwachem Wind gegen den Strom kann eine Route außerdem vor ihrem Ziel enden. Und Saily WR hat die Strömung von AMM15 nicht mit Beobachtungen verglichen: Nichts hier besagt, dass eine darin gesegelte Route näher an der Wahrheit liegt als eine in SMOC gesegelte.
Quellen
- AMM15: a new high-resolution NEMO configuration for operational simulation of the European north-west shelf, Graham et al., Geoscientific Model Development (2018)
- The impact of a new high-resolution ocean model on the Met Office North-West European Shelf forecasting system, Tonani et al., Ocean Science (2019)
- Product User Manual for NWSHELF_ANALYSISFORECAST_PHY_004_013, issue 3.0, Copernicus Marine Service (2025)
- Quality Information Document for NWSHELF_ANALYSISFORECAST_PHY_004_013, issue 3.0, Copernicus Marine Service (2025)
- Atlantic - European North West Shelf - Ocean Physics Analysis and Forecast, Copernicus Marine Service (2026)
- Currents, 2D, hourly: the dataset's catalogue entry, Copernicus Marine Service (2026)
- North West Shelf – Monitoring Forecasting Centre (NWS MFC), Copernicus Marine Service (2026)
- NWS MFC poster: the NOWMAPS consortium, Copernicus Marine Service (2023)
- Met Office marine data service, Met Office
- Product User Manual for GLOBAL_ANALYSISFORECAST_PHY_001_024, issue 2.4, Copernicus Marine Service (2026)
- Service commitments and licence, Copernicus Marine Service (2026)