Wetter-Supercomputer

Das Deutsche Meteorologische Rechenzentrum des DWD (Deutschen Wetterdienstes) hat einen neuen Supercomputer in Betrieb genommen. Der NEC SX 9 soll die Rechenleistung dabei insgesamt um das 45-fache steigern und die Wettervorhersage dadurch verbessern.

Dabei geht der Ausbau in mehreren Stufen vonstatten: bis zum Jahr 2010 soll die Rechenleistung des so genannten NEC SX 9 auf 109 TeraFlops gesteigert werden. 1 Flop bedeutet dabei "Floating Point Operation per Second", also insgesamt 109 Billionen Multiplikationen in der Sekunde. Für Technikversierte folgt hier ein Video eines englischsprachigen Magazins:

###YOUTUBE###

Im Rechenzentrum des DWD nimmt der Supercomputer dabei 2 Säle von 1.000 Quadratmeter ein, wie das ZDF betont eine Fläche von acht Einfamilienhäusern. In seinem Inneren arbeiten 448 Prozessoren und ist dadurch so stark wie 30.000 der heute handelsüblichen PCs.

Video über den DWD Computer (ZDF)

Ziel dieses 39 Millionen Euro teuren neuen Computers sollen genauere Wettervorhersagen sein. Wie soll das geschehen?

Ensembles: Bessere Wahrscheinlichkeits-Berechnung
In erster Linie soll der NEC SX 9 genauere Berechnungen so genannter Ensemble-Vorhersagen helfen. Dazu muss man wissen: Neben einer so genannten operationellen Vorhersage, in der ein Maximum an meteorologischen Daten eingeht, wird die gleiche Vorhersage mehrmals gerechnet. Dadurch werden die natürlichen Unsicherheiten der Natur sowie eventuelle Messfehler simuliert.

Beim Europäischen Wettermodell etwa werden zusätzlich zur "Hauptvorhersage" (dem operationellen Lauf) noch 51 zusätzliche Berechnungen gemacht (siehe Abb. links). Die Rechnergeschwindigkeit muss natürlich ausreichend sein, um diese Zusatzberechnungen etwa zwei Mal am Tag zusätzlich ausführen zu können.

Daher ist der Datensatz bei den Ensembleprognosen mit Rücksicht auf die Rechenleistung reduziert. Je schneller nun aber wiederum der Computer rechnen kann, desto mehr meteorologische Paramater, oder desto mehr Physik, kann auch wieder in die Ensembles einfließen. Was bedeutet das?

Durch eine Ensembleprognose wird die Trefferwahrscheinlichkeit einer Vorhersage berechnet. Je mehr dieser Berechnungen mit ähnlichem, aber nicht gleichem Ausgangszustand auch in die gleiche Richtung weisen, las desto sicherer kann eine Vorhersage gelten. Dadurch, dass in die Ensembleberechnungen noch mehr Daten eingehen, werden auch diese genauer.

Dies wird insbesondere bei Prognosen wichtig, die etwas weiter in der Zukunft liegen. Man kann also davon ausgehen, dass insbesondere die Prognosen ab Tag 5 zunehmen werden. Wichtig ist dies vor allem auch für Energiefirmen

Gewitter besser vorhersagbar
Andererseits ist eine hohe Rechenleistung auch für die so genannten lokalen Modelle wichtig. Während die zum Beispiel in den Profikarten vorliegenden Modelle ECMWF und GFS weltweit rechnen, gibt es daneben auch noch höher aufgelöste Varianten. In Deutschland ist dies insbesondere in Alpennähe wichtig, um lokale Effekte besser erfassen zu können.

Insbesondere kleinräumige Schauer und Gewitter werden so besser vorhersagbar. So können betroffene Regionen präziser vor Starkregen, Hagelschlag, Blitzen und Sturmböen gewarnt werden, wichtig auch für die Feuerwehren und für den Katastrophenschutz.

Nächste Generation schon geplant
Durch die laut dem mooreschen Gesetz immer weiter wachsende Prozessorgeschwindigkeit (siehe Abbildung links) wird bereits bei der Neuanschaffung eines Supercomputers die nächste Generation geplant. Beim DWD sind diese etwa 7 bis 8 Jahre im Einsatz. Bereits jetzt existiert nämlich ein Nachfolger des NEC SX 9, der IBM Roadrunner. Er hat mit 1,105 PentaFlops, also 1,105 Billiarden Multiplikationen pro Sekunde, schon etwa die zehnfache Rechengeschwindigkeit des jetzt für den DWD installierten Computers.

Keine Wunder erwarten
Trotz aller Computerleistung sei jedoch darauf hingewiesen, dass eine hundertprozentige Genauigkeit nie erreicht werden kann. Das liegt an der chaotischen Eigenschaft des Wetters. Das vollständige Gleichungssystem der Atmosphäre ist wegen seiner Nichtlinearität und der Kopplung der verschiedenen Terme nämlich nicht eindeutig lösbar.

Daher wird man bei der Wettervorhersage stets nur mit Wahrscheinlichkeiten arbeiten können, und (zum Glück für den Meteorologen) auch die menschliche Intuition wird wohl immer wichtig bleiben.

Hinweis: Die Grafik (3) darf unter den Bedingungen der GNU Free Documentation Licence GFDL, Version 1.2 oder höher kopiert und modifiziert werden.