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Ein Ozeanmodell für Exascale Hochleistungsrechner

Die Ozeane sind direkt, nach der Atmosphäre, der vielleicht wichtigste Einfluss auf Wetter und Klima. Ozeanmodelle wie das am Max-Planck Institut für Meteorologie entwickelte ICON-O, erlauben es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, den Einfluss der Ozeane auf das Wetter und Klima zu untersuchen. Trotz der Rechenkraft moderner Supercomputer können aber wichtige dynamische Phänomene in ozeanischen Strömungen, insbesondere sogenannte sub-mesoskalige Wirbel, nur in Simulationen über wenige Wochen bis Monate aufgelöst werden. Simulationen über längere Zeiträume würden viele Monate oder sogar Jahre dauern und sind daher nicht möglich.

Exascale Supercomputer, d.h. Computern, welche 10^18 Fließkommaoperationen pro Sekunde ausführen, könnten solche hochaufgelösten Simulationen auch über klimatisch relevante Zeiträume von mehreren Jahrzehnten ermöglichen. Der erste Exascale Computer in der top500.org Liste ist Frontier am US Oak Ridge National Laboratory. In Deutschland wird das Jülich Supercomputing Centre den Exascale Computer JUPITER bauen. Vergleichbare Aktivitäten gibt es in China und Japan. Um die Rechenleistung solcher Computer aber für Modelle nutzbar zu machen, sind neue Algorithmen für die Lösung der zugrundeliegenden mathematischen Gleichungen notwendig.

Solche neuen Algorithmen wird das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt ExaOcean entwickeln. Zusammen werden die TUHH, das Max-Planck Institut für Meteorologie, das Deutsche Klimarechenzentrum und das Jülich Supercomputing Centre neue Verfahren entwickeln, um das ICON-O Ozeanmodell für Simulationen auf JUPITER vorzubereiten.

Dabei wird das Projekt eine neuartige Kombination von “klassischen” Algorithmen der numerischen Mathematik mit Maschinellem Lernen verfolgen. Da eine sub-mesoskalige Wirbel darstellende Auflösung zu rechenaufwendig ist, wird stattdessen eine mittels Maschinellem Lernen gewonnene Korrektur integriert, welche es erlaubt, den Einfluss kleiner Wirbel auch auf gröberen Gittern darzustellen. Hauptziel von ExaOcean ist es, den Durchsatz von ICON-O signifikant zu verbessern: wo derzeit in etwa 60 Tage pro 24h Rechenzeit simuliert werden können, soll es mit den in ExaOcean entwickelten Verbesserungen möglich sein, mehr als 300 Tage pro 24h Rechenzeit zu simulieren. Damit wären hochaufgelöste Simulationen auch über mehrere Dekaden in vertretbarer Zeit möglich.

Relative Wirbelstärke in der Golfstromregion. Das Bild zeigt einen Ausschnitt aus einer globalen Simulation des vom Max-Planck Institut für Meteorologie entwickelten Ozeanmodells ICON-O. Quelle: Max-Planck Institut für Meteorologie in Hamburg.

Kontakt:

Prof . Dr. Daniel Ruprecht
Institut für Mathematik
Technische Universität Hamburg

Das Projekt ExaOcean wird gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter Förderkennzeichen 16ME0679K.