SMOC

Vom Projekt Mercator zu Copernicus Marine

1995 startete eine Gruppe von rund dreißig französischen Wissenschaftlern das Projekt Mercator, benannt nach dem flämischen Kartografen des 16. Jahrhunderts, um den Ozean so zu beschreiben und vorherzusagen, wie Wetterdienste die Atmosphäre vorhersagen. Getragen wurde es von fünf französischen Einrichtungen, die auf See arbeiten: CNRS, Ifremer, IRD, Météo-France und SHOM, dem hydrografischen und ozeanografischen Dienst der französischen Marine. Nach sechs Jahren mit Prototypen erschien 2001 das erste Mercator-Bulletin, mit Karten der Strömungen, der Temperatur und des Salzgehalts im Nord- und Äquatorialatlantik.

Mercator Ocean leitete ab 2009 die europäischen MyOcean-Projekte, und am 11. November 2014 betraute die Europäische Union es mit dem Copernicus Marine Environment Monitoring Service, der im Mai 2015 als operationeller Dienst startete. Eine globale Konfiguration mit 1/12° lief seit 2011 in Echtzeit; ihre Version PSY4V3, inzwischen in GLO12v3 umbenannt, übernahm am 19. Oktober 2016, und das heutige GLO12v4 ist seit November 2022 im Einsatz. Die Organisation wird nun zwischenstaatlich: Im Juni 2025 unterstützten auf der UN-Ozeankonferenz in Nizza zwölf europäische Länder die Gründung des Mercator International Centre for the Ocean.

SMOC, für Surface and Merged Ocean Currents, kam im Januar 2019 zum globalen Produkt hinzu. Es wurde für die Drift gebaut: Was ein schwimmendes Objekt bewegt, ist nicht nur die großräumige Zirkulation, sondern die gesamte an der Oberfläche wirkende Geschwindigkeit, Gezeiten und Wellen eingeschlossen. Seine Vorhersage wurde im Mai 2021 auf 10 Tage verlängert, denselben Zeitraum wie das Ozeanmodell, auf dem es aufbaut.

Ein Ozeanmodell, ein Gezeitenmodell und ein Wellenmodell

SMOC ist nicht ein Modell, sondern die Summe von dreien. Sein erster und wichtigster Teil, die Ozeanzirkulation, stammt aus GLO12v4, das auf NEMO 3.6 (Nucleus for European Modelling of the Ocean) aufbaut. NEMO löst die primitiven Gleichungen eines hydrostatischen Ozeans unter der Boussinesq-Näherung, die Dichteänderungen vernachlässigt, außer dort, wo sie Wasser steigen oder sinken lassen. Es ist mit dem Meereismodell LIM3 und dessen 11 Eiskategorien gekoppelt.

Das Modell läuft auf ORCA12, einem tripolaren Gitter, dessen nördliche Pole auf Land verlegt sind, sodass kein Punkt des Arktischen Ozeans eine Singularität ist. Seine Gitterweite beträgt 9 km am Äquator, 7 km in mittleren Breiten (vor Cape Hatteras) und bis hinab zu 2 km nahe der Antarktis; die Ausgaben werden auf ein reguläres 1/12°-Gitter von 4320 × 2041 Punkten interpoliert. In der Vertikalen hat es 50 Schichten in festen Tiefen, von 1 m Dicke an der Oberfläche bis 450 m am Grund, 22 davon in den obersten 100 m, mit Teilzellen, um dem Meeresboden zu folgen.

Mit 1/12° gilt das Modell als wirbelauflösend: Die Wirbel des Ozeans und die Mäander der großen Randströme, des Golfstroms, des Kuroshio oder des Agulhasstroms, werden berechnet, statt zu einem Mittel geglättet. Die vertikale Durchmischung stammt aus einem Turbulenzschema mit zwei Gleichungen (k-epsilon), und das Modell rechnet keine eigenen Gezeiten. Die Atmosphäre treibt es über die IFS-Vorhersagen des ECMWF mit 1/10° und stündlich an, die durch Bulk-Formeln, welche die Oberflächenströmung selbst berücksichtigen, in Windschub sowie Wärme- und Wasserflüsse umgesetzt werden; das Handbuch von 2026 ergänzt einen Wellenantrieb aus MFWAM, und hundert große Flüsse sowie das Schmelzwasser Grönlands und der Antarktis speisen es mit Süßwasser.

Die Gezeiten stammen aus FES2014, einem Finite-Elemente-Gezeitenmodell, das LEGOS, NOVELTIS und CLS für das CNES entwickelt haben; es löst die Gezeitengleichungen für die gesamte Wassersäule und assimiliert jahrelange Altimetriedaten (Topex/Poseidon, Jason-1 und 2, ERS-1 und 2, Envisat) sowie Pegelmessungen, für 34 Partialtiden. SMOC berechnet daraus jede Stunde auf seinem 1/12°-Gitter die barotrope Gezeitenströmung, also die über die Tiefe gemittelte. Die Wellen kommen aus MFWAM, dem Wellenmodell von Météo-France für Copernicus Marine, das auf dem ECWAM-Code des ECMWF aufbaut und von IFS-Winden angetrieben wird: Seine Stokes-Drift, die kleine Nettobewegung des Wassers in Laufrichtung der durchziehenden Wellen, wird von seinem 1/10°-Gitter auf das 1/12°-Gitter interpoliert.

Die drei Teile werden einfach addiert: Gesamtströmung = Zirkulation + Stokes-Drift + Gezeiten. Die Wechselwirkungen zwischen ihnen, Wellen auf einer Strömung oder Gezeiten auf der Zirkulation, werden daher nicht dargestellt, wie die Produzenten betonen. Und die Zirkulation ist die Modellströmung 0,5 m unter der Oberfläche, nicht auf die Oberfläche selbst extrapoliert.

Eine wöchentliche Analyse, eine tägliche Vorhersage

Das Ozeanmodell stützt sich auf Beobachtungen aus dem All und vom Meer: die Meeresspiegelanomalien entlang der Bahnspuren aller Altimetriesatelliten, die Copernicus Marine sammelt, die Meeresoberflächentemperatur von Satelliten (ODYSSEA), die Meereiskonzentration (OSI SAF) sowie In-situ-Profile von Temperatur und Salzgehalt aus der Coriolis-Datenbank, in der die Profile der Argo-Floats landen. Der Meeresspiegel aus der Altimetrie wird gegenüber einer mittleren dynamischen Topografie (CNES-CLS18) gelesen, dem mittleren Relief der Meeresoberfläche, das die beständigen Strömungen formen. Vor der Verwendung werden die Beobachtungen, die in eine Modellzelle fallen, zu einer einzigen Superbeobachtung zusammengeführt, um Skalen herauszufiltern, die das Modell nicht auflösen kann.

Das Assimilationsschema SAM2 ist ein Kalman-Filter reduzierter Ordnung, abgeleitet von SEEK (Singular Evolutive Extended Kalman). Statt einer vollständigen Karte, wie Vorhersagefehler zusammenhängen, beschreibt es diese mit einigen hundert Ozeanzuständen aus der Reanalyse GLORYS12 und gewichtet jede Beobachtung entsprechend gegen das Modell. Es arbeitet auf einem 7-Tage-Fenster, mit einer 4D-Erweiterung, die berücksichtigt, wann jede Beobachtung gemacht wurde, und seine Korrekturen werden über die Woche schrittweise in das Modell eingebracht (Incremental Analysis Update), um es nicht zu schocken. Ein 3D-Var-Schema über den letzten Monat fügt eine Korrektur der langsamen, großräumigen systematischen Fehler (Bias) bei Temperatur und Salzgehalt hinzu.

Die Analyse ist wöchentlich, die Vorhersage täglich. Jeden Tag fügt das System einen Tag Simulation hinzu, angetrieben von der analysierten Atmosphäre, und rechnet dann eine neue 10-Tage-Vorhersage ab 00 UTC, geliefert zwischen 08 und 12 UTC. Jede Woche werden die vergangenen Simulationen durch Analysen ersetzt und zwei Wochen später durch die endgültigen besten Analysen, weshalb sich das Archiv des Produkts nachträglich weiter verbessert.

SMOC wird dann Stunde für Stunde zusammengesetzt: die stündliche Oberflächenströmung von GLO12, die Stokes-Drift der globalen Wellenvorhersage und die aus FES2014 berechnete Gezeitenströmung, jeweils getrennt geliefert und zu einer Gesamtströmung summiert. Alles wird im Copernicus Marine Data Store mit einem rollierenden Zwei-Jahres-Archiv veröffentlicht, für registrierte Nutzer kostenlos.

Auf See

Ein Knoten Strömung bringt oder kostet jede Stunde eine Meile, und auf offener See zeigt SMOC, wo die großen Strömungen verlaufen: der Golfstrom, dessen Oberflächenkern laut NOAA etwa 9 km/h (fast 5 Knoten) erreicht, der Kuroshio, der Agulhasstrom, die äquatorialen Strömungen und der Antarktische Zirkumpolarstrom. Die Altimetrie hält seine Wirbel ungefähr dort, wo die Satelliten sie sehen, und im Modell verfolgte Partikel geben die großräumigen Bahnen echter Driftbojen gut wieder.

Es neigt aber auch dazu, sie zu unterschätzen. Im Vergleich mit Driftbojen finden die Produzenten die Oberflächenströmungen mittlerer Breiten bei starken Strömungen um etwa 20 % zu schwach und bei schwachen um bis zu 60 %, wobei die starken westlichen Randströme am besten wiedergegeben werden. Ein Wirbel, der zwischen zwei Satellitenüberflügen etwas von seinem wahren Ort verschoben ist, kann eine mitlaufende Strömung in eine gegenlaufende verwandeln: Die vorhergesagte Strömung ist ein wahrscheinliches Bild, keine Gewissheit.

Seine Gezeiten sind eine Stärke über offenen Kontinentalschelfen, etwa in den Zufahrten zum Ärmelkanal oder in der Keltischen See, wo die breiten Gezeitenströme mit den Stunden drehen. Nahe der Küste sind sie zugleich seine Grenze: Eine über die Tiefe gemittelte Gezeit auf einem 9-km-Gitter kann weder die Stromkabbelung vor einer Landspitze noch den Wirbel hinter einer Insel oder den Strom in einer engen Durchfahrt zeichnen. In den Tests der Produzenten verringert das Hinzufügen von Gezeiten und Wellen den Abstand zwischen modellierten und echten Driftern über drei Tage weltweit von 42,7 auf 39,9 km, vergrößert ihn über Schelfmeeren aber leicht, von 36,4 auf 38,5 km; in Landnähe bleiben Gezeitenstromatlanten und Seehandbücher die Referenz.

Die Stokes-Drift läuft überwiegend mit den Wellen, bei Starkwind also mit dem Wind, und nimmt mit der Tiefe schnell ab: SMOC wurde für das entwickelt, was ganz an der Oberfläche treibt, während ein Kiel tiefer reicht. Neben RTOFS, der Strömung der NOAA, ist SMOC eine zweite Meinung aus einem unabhängigen System, mit einem anderen Modell, einer anderen Assimilation und anderen Winden: Wo beide bei einer Strömung übereinstimmen, verdient sie Vertrauen; wo sie einen Wirbel unterschiedlich platzieren, ist die Strömung dort unsicher; nahe der Küste ist der größte Teil ihres Unterschieds die Gezeit, die RTOFS weglässt.

SMOC in Saily WR

Saily WR übernimmt die gesamte Oberflächenströmung von SMOC, die Summe aus Ozeanzirkulation, Gezeiten und Stokes-Drift der Wellen, die Copernicus Marine verbreitet, Stunde für Stunde auf ihrem 1/12°-Gitter (etwa 9 km) über den ganzen Globus, aus dem Lauf jedes Tages und über dessen 10 Tage. Wenn Sie SMOC als Strömung wählen, statt RTOFS oder gar keiner Strömung, wird sie an jedem Punkt und zu jeder Stunde der Route zur Fahrt des Bootes addiert, und zwar auf der Route jedes Windmodells, damit diese nebeneinander vergleichbar bleiben.

Ein Server lädt jeden neuen Lauf herunter, sobald er veröffentlicht ist, und die Seite „Daten“ zeigt live, auf welchem Lauf SMOC steht, seinen Horizont und seine Abdeckung. Berechnen Sie denselben Törn mit SMOC, dann mit RTOFS oder ohne Strömung, und Sie sehen, wie viel vom Gewinn einer Route von der Strömung kommt und ob er an einem Gezeitentor oder einem Wirbel hängt.

Wie es die Copernicus-Marine-Lizenz verlangt, werden die Daten überall genannt, wo sie angezeigt werden: „E.U. Copernicus Marine Service Information (CMEMS)“. Diese Lizenz ist kostenlos und erlaubt jedem, aus den Daten abgeleitete Produkte zu erstellen und zu teilen, für jeden Zweck, unter dieser einen Bedingung.