Wetterforschung mit High-Tech Unterstützung

Gibt es in diesem Jahr weiße Weihnachten? Oder lässt der Föhn den Schnee wieder kurz vor den Feiertagen dahinschmelzen? Mit dieser Frage beschäftigen sich Jahr für Jahr Meteorologen und Experten, die für ihre Modelle auf leistungsstarke Rechner-Systeme zurückgreifen. Um zu verstehen, wohin die Reise geht – nicht nur mit der weißen Pracht rund um die Weihnachtsfeiertage, sondern auch beim Weltklima – setzen Wissenschaftler auf äußerst komplexe Simulationen. Die untereinander wechselwirkenden Parameter, die dabei berücksichtigt werden müssen, reichen von der Wassertemperatur über den CO2-Gehalt der Atmosphäre bis zur Wolkenbildung. Deshalb ist die Rechenleistung, die für die Erstellung derartiger Modelle notwendig ist, enorm. Je schneller der Computer, desto genauer sind die Prognosen, die auf Basis einer Simulation erstellt werden können.

Wenn Forscher Schätzungen für den zu erwartenden temperaturanstieg bis zum Jahr 2100 abgeben, liegen diese meist zwischen 1,5 und 4,5 Grad Celsius. Der Grund für diese große Bandbreite liegt neben dem Mangel an exakten Daten hauptsächlich in der Beschränktheit der verfügbaren Rechenleistung. Weil auch die besten Supercomputer keine hochauflösende Klimasimulation für den gesamten Globus stemmen können, müssen die Forscher entweder ihre Modelle geografisch einschränken oder die Auflösung zurückfahren. Gängige globale Klimasimulationen arbeiten mit einem Raster, das aus Feldern mit 12 bis 50 Kilometer Durchmesser besteht.

High Resolution Climate Simulation

Für geografisch abgegrenzte Regionen lassen sich auch hochauflösendere Klimamodelle errechnen. Forscher der ETH Zürich haben für Europa und den Atlantischen Ozean etwa eine Simulation erstellt, deren Auflösung bei 2,2 Kilometer liegt. Das war möglich, weil die Wissenschaftler Rechenzeit auf einem der schnellsten Supercomputer der Welt nutzen konnten.

Grafikprozessoren als Schlüssel

Der “Piz Daint”-Hochleistungsrechner in der Schweiz belegt in der aktuellsten Top-500-Liste der weltweit schnellsten Computer vom Juni 2020 den zehnten Platz. Der Supercomputer des Herstellers Cray setzt auf tausende Rechen- und Grafikkerne der Firmen Intel und Nvidia. Die Grafikchips, die in ähnlicher Form auch in normalen Grafikkarten in PCs zu finden sind, erlauben es, bestimmte Berechnungen, die für die Klimamodelle benötigt werden, schneller, effizienter und damit auch kostengünstiger durchzuführen.

Durch die moderne Architektur und die hohe Rechenleistung von Piz Daint konnten die Forscher ein Klimamodell für Europa in noch nie dagewesener Auflösung erstellen. Dieser Fortschritt erlaubt es auch, die Prognosen zu verbessern. So ergaben die Simulationen der Schweizer Forscher, dass die Intensität kurzfristiger Regenfälle mit jedem Grad Erwärmung um sieben Prozent zunehmen wird.

Vorbereitung ist alles

Eine derartige Zunahme von Schlagwettern im europäischen Sommer würde die derzeitige Wasserinfrastruktur auf dem alten Kontinent schon bei moderater Erwärmung schnell an ihre Grenzen bringen. Hochauflösende Simulationen erlauben es, derartige Veränderungen abzuschätzen und die Infrastruktur entsprechend anzupassen. Wenn es in Zukunft zu häufigeren und intensiveren Regenfällen kommt, müssen die Regierungen Europas ihre Hochwasserplanung überarbeiten, um die Folgen für die Bevölkerung abzumildern.

Wirklich belastbare Klimamodelle müssen aufgrund der vielfältigen Wechselwirkungen aber immer den ganzen Globus umfassen. Das gibt der derzeitige Stand der Technik aber bei Weitem noch nicht her. Bei geringerer Auflösung können aber einflussreiche Faktoren wie die Entwicklung Wolkenbedeckung nicht in ausreichendem Detail berücksichtigt werden. Die Rechenleistung bleibt also vorläufig ein Flaschenhals bei der Modellierung des Klimas. AT&S leistet mit seinen IC-Substraten, die Rechen- und Grafikkerne mit den restlichen Systemkomponenten verbinden, einen Beitrag zur Entwicklung neuer Supercomputer.

Published On: 24. November 2020

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