Supercomputer soll Wetter mit Klimadaten verknüpfen

Starkregen, Überflutungen, Stürme: Eine neue Forschungsinitiative will aufzeigen, wie sich der Klimawandel in Wetterereignissen niederschlägt. Gestartet hat sie die Eidgenössische Technische Hochschule in Zürich (ETH) gemeinsam mit einer Reihe anderer Einrichtungen, darunter das Max-Planck-Institut für Meteorologie und der Deutsche Wetterdienst. "Exclaim", so ihr Name, entwickelt neue Computersimulationen. Ziel sei ein "Maßstabssprung" bei der räumlichen Auflösung von Wetter- und Klimamodellen, teilt die ETH mit.

Globale "Zoom-Funktion"

Die dreidimensionalen virtuellen Gitter, die in aktuellen Modellen auf die Erdkugel projiziert werden, stützen sich auf Rasterpunkte, die eine Distanz von 50 bis 100 Kilometern markieren. Die Forscherinnen und Forscher in Zürich wollen langfristig global eine Auflösung von einem Kilometer erreichen. Bisher sind feinmaschige Simulationen nur regional begrenzt möglich und bilden auch nur kurze Zeiträume ab. Was den ETH-Experten vorschwebt, ist eine "Zoom-Funktion für kleinräumige Ereignisse" in globalen Klimamodellen.
 
Knackpunkt ist die Rechnerleistung. Wetter- und Klimamodelle müssen extrem viele Daten verarbeiten, die Algorithmen sind kompliziert. Damit sich Wetter und Klima mit einer Maschenweite von wenigen Kilometern weltweit und über Jahrzehnte simulieren ließen, müsse ein Modell rund 100-mal schneller laufen, als das zurzeit möglich ist, heißt es.

Die Techniker setzen an mehreren Stellen an, um die Geschwindigkeit zu erhöhen. Modelle sowie Hard- und Software von Hochleistungsrechnern sollen bei Exclaim Hand in Hand entwickelt werden. "Die Rechen- und Dateninfrastruktur wird ganz nach den Anforderungen der Wetter- und Klimamodelle eingerichtet", erklärt Thomas Schulthess vom schweizerischen Supercomputing Centre.

"Gemischte Rechnerarchitektur"

Das Institut in Lugano stelle dazu auf ein neues "Super-Computing-System" um. Dieses sei so konzipiert, dass hochauflösende Klimamodelle auch konvektive Systeme wie Gewitter gut abbilden können. Wichtig sei, die Architektur des Computers so einzurichten, "dass er bestimmte Klassen von Forschungsproblemen optimal lösen kann", sagt Schulthess. Für die Leistung entscheidend sei eine "gemischte Rechnerarchitektur", bei der Hauptprozessoren, "Central Processing Units" (CPU), und "Graphical Processing Units" (GPU) zusammenspielen.

Zudem verfolgen die Entwickler einen nach eigenen Angaben neuen Ansatz im Quellcode der Modelle. Er wird in zwei Teile zerlegt. Zum einen handelt es sich um die Schnittstelle, über die Nutzer und Entwickler zugreifen. Zum anderen, in einer darunterliegenden Ebene, um die Software mit den Modellalgorithmen. Diese Lösung werde bereits heute für das nationalen Schweizer Wettermodell genutzt, so Schulthess. Auf dieser Basis habe man dieses Wettermodell "um einen Faktor zehn" beschleunigen können,

Darüber hinaus tüfteln die IT-Experten an den Datenströmen. Es geht ihnen darum, die Speicherbandbreite zu maximieren und kostspielige Datentransfers zu vermeiden. "Aufgrund ihrer hohen Auflösung werden die neuen globalen Modelle wichtige Prozesse wie Stürme und Wettersysteme viel detaillierter abbilden, als das bisher der Fall war. Auf diese Weise können wir viel genauer untersuchen, wie sich Klimaveränderungen und Wetterereignisse gegenseitig beeinflussen", sagt Umweltphysiker und Exclaim-Leiter Nicolas Gruber.