„Weißt Du, wie das Wetter morgen wird?“ „Wenn man der Vorhersage trauen darf, wird es wohl Regen geben.“ So oder so ähnlich verlaufen millionenfache Gespräche auf der Welt mit immer demselben Thema: Dem Wetter.
published Laengsynt
Schon im Altertum versuchten sich die Menschen im Vorhersagen der Wetterlage. Dieses frühere Abschätzen findet sich heute nur noch in Bauernregeln oder im Lesen eines Kaffeesatzes wieder - auch weil in der heutigen Zeit die Wetterlage wichtiger denn je ist. Versicherungen, Flugdienste (Flugwetterdienst), Landwirte, die Medizin (Hitzemeldungen, Pollenflug), Fischerei und natürlich auch Klimaforscher greifen immer häufiger auf die Daten der Wetterdienste zurück. Aber gibt es eine Nummer 1 unter den Wetterdiensten und wie arbeitet eigentlich ein Wetterdienst? Eine Vorhersage kann man auf diese Fragen nur schwer abgeben. Aber die technischen Möglichkeiten rücken die Wetterdienste in das richtige Licht. Entscheiden Sie.
Neuer Supercomputer sorgt für frischen Wind
Der französische Wetterdienst Meteo France hat nun einen fünfmal schnelleren, neuen Hochleistungsrechner in Betrieb genommen. In Toulouse in Frankreich wurde am 19.Juni 2007 der Vektorrechner SX-8R von der NEC-Corporation (NEC) installiert. Er gehört damit zu den 25 schnellsten Superrechnern in Europa und besitzt mit dem SX-8R Prozessor den leistungsstärksten seiner Art. Diese Rechenleistung ist für den französischen Wetterdienst von strategischem Wert: Denn die plötzlich auftretenden Wetterphänomene wie Stürme oder Nebel können dadurch wesentlich schneller erkannt werden und durch gezielte Gegenmaßnahmen ungefährlicher und günstiger ausfallen.
Das riesige Areal von Meteo France in Toulouse
Die Computersimulation zum Studium natürlicher Vorgänge, die Berechnungen von Naturkatastrophen und Klimafolgen - kurz dem Wetter, erfordern daher immer mehr Rechenleistung. Für solche speziellen Anforderungen sind Superrechner eines speziellen Typs besonders geeignet – die Vektorrechner. So sind Vektorprozessoren in der Lage, eine Berechnung gleichzeitig auf vielen Daten auszuführen („Single Instruction, Multiple Data“). Weil Vektorcomputer mit Prozessoren arbeiten, die speziell für Hochleistungsrechner und wissenschaftliche Anwendungen konzipiert sind – den schnellstmöglichen Prozessoren, die sich nach dem jeweiligen Stand der Technik realisieren lassen – benötigen sie eine weit geringere Anzahl an CPUs.
Ein Upgrade der Superlative
Bei der SX-8R Baureihe handelt es sich um eine “Reinforced” Version, also um ein Upgrade der SX-8. Sie basiert daher im Wesentlichen auf der gleichen Architektur wie die SX-8 Reihe - kommt aber mit 35,2 Gigaflops auf eine mehr als doppelt so hohe Rechenleistung. Die höhere Leistung wird durch eine Verdoppelung der 64-Bit-Recheneinheiten für Addition und Multiplikation erreicht. Wo früher zwei Prozessoren nötig waren, reicht daher jetzt einer. So verringert sich auch der Platz- und Strombedarf für ein Multiprozessor-Rechnersystem – ein wichtiges Kriterium für den Betrieb in Rechenzentren. Eine zusätzliche Leistungssteigerung erreicht NEC durch eine 10-prozentige Takterhöhung auf 2,2 Gigahertz. Im gleichen Maße steigert sich die Speicherbandbreite auf 70,4 Gigabyte pro Sekunde. Das ist fast zehn Mal so schnell wie bei PC Prozessoren.
Die höhere Rechnerleistung ermöglicht detailgenauere Simulationen und präzisere Wettervorhersagen, da weit mehr Messdaten als bisher in die verwendeten Wettermodelle einbezogen werden können. Zunächst wird der französische NEC-Rechner parallel zu dem bisherigen Fujitsu-Rechner in Toulouse eingesetzt, um nach einer Übergangsphase komplett durch den neuen Vektorrechner ersetzt zu werden. Drei Jahre später soll der Supercomputer nochmals aufgestockt werden um dann eine bis zu 21 Mal höhere Geschwindigkeit zu erreichen. Er wird dann rund 24 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde ausführen können. Eine niedrige Betriebsspannung ermöglicht dazu einen geringen Energieverbrauch des Prozessors.
Der SX-8R: Eine Supermaschine für die Wissenschaft
„Eine Partnerschaft die passt!“ Chris Shimizu
„NEC ist bewusst die Partnerschaft mit Météo Francé eingegangen“, so Chris Shimizu, Department Manager Corporate Communications bei NEC Europe Ltd. „ Der gesamte wissenschaftliche Hintergrund passt zu unserer Firmen-Philosophie. Hier wird in den nächsten fünf Jahren“, so die offizielle Vertragsdauer der beiden Partner, „anspruchsvolle, wissenschaftliche und technisch hohe Leistung erbracht. Wir von NEC wollen über die wissenschaftlichen Wetterprojekte die eigene Computerforschung vorantreiben, also Leistung und Performance noch besser in Einklang bringen.“
Wetter: Nur ein physikalisches Ereignis?
Das eigentliche Ziel, die Beschreibung, eine Prognose eines Zustandes der Atmosphäre, zu einer bestimmten Zeit, an einem bestimmten Ort oder einem Gebiet abzugeben, ist schon lange nicht mehr die zentrale und alleinige Aufgabe eines Wetterdienstes. Um beispielsweise die Klimaforschung voranzutreiben, werden nicht nur die Wettererscheinungen, welche sich am Boden auswirken, beobachtet, sondern es wird die gesamte Atmosphäre unter die Lupe genommen. Das Wetter an sich - als physikalisches Ereignis - lässt sich durch entsprechende Naturgesetze beschreiben.
Wikinger wussten sich auch ohne Rechner zu helfen.
Foto: Prokein/Stuttgart
Die grundlegende Idee einer Wetterprognose ist es, aus einem bereits vergangenen und einem aktuellen Zustand der Atmosphäre, unter Anwendung der bekannten physikalischen Regeln, einen Zustand in der Zukunft abzuleiten. Die mathematischen Konstrukte, welche diese physikalischen Regeln beschreiben, sind allerdings sogenannte nichtlineare Gleichungen. Dies bedeutet, dass bereits kleine Änderungen im Ausgangszustand zu relativ großen Veränderungen am Ende der Rechnung führen. Dieser Effekt wird auch als Schmetterlingseffekt bezeichnet: Dieses bedeutet wiederum, dass in komplexen, dynamischen Systemen eine große Empfindlichkeit auf kleine Abweichungen in den Anfangsbedingungen entsteht. Diese geringfügig veränderten Anfangsbedingungen können im langfristigen Verlauf zu einer völlig anderen Entwicklung führen.
Aber was ist wirklich vorhersagbar?
Um eine noch genauere Vorhersage zu treffen, plant man mehrere lokale Oberflächen in die Berechnungen mit einzubeziehen. Eine genauere Analyse und Vorhersage über beispielsweise Gebirgen, über Städte und über den einzelnen Vegetationen sollen Aufschluss geben, warum es zu den plötzlich auftretenden Phänomenen wie Nebel, Niederschlag, Gewitter und Turbulenzen kommt.
Eine detaillierte und damit genaue Wettervorhersage ist zwar über längeren Zeitraum noch nicht möglich - die Grenze, ab der die Vorhersagegenauigkeit gegen null geht, liegt etwa bei 15 Tagen. Doch wird die derzeitige Vorhersage bis etwa 8-10 Tage noch als verlässlich angesehen. Auch Dank der Verbesserung in der Beobachtung, der Modelle und der Rechenkapazitäten. So hat man in den letzten 20 Jahren rund zwei Tage dazu gewonnen. Eine Überprüfung der Vorhersage des Meteo France hat ergeben, dass derzeit die Vorhersage der nächsten 24 Stunden zu 90 % zutrifft und die Temperatur an einem bestimmten Ort im Mittel auf etwa 1,5 °C genau vorhergesagt wird.
Jedes Jahr Überschwemmungen und Stürme
Ungewöhnlich heftige Regenfälle und Stürme plagten Frankreich und Europa in den letzten Jahren. Das letzte gefährliche Wetterereignis liegt noch nicht allzu lange zurück. Am 18. und 19. Januar 2007 wütete der Orkan Kyrill. Böen Windgeschwindigkeiten bis zu 225km/h waren keine Seltenheit. Für die Überprüfung der Vorhersage von diesen gefährlichen Wetterereignissen werden andere Techniken (Satelliten- und Radarüberwachung) benötigt: z. B. hat man mit diesen Techniken 2006 festgestellt, dass gefährliche Wetterphänomene in einem Departement (Regierungsbezirk Frankreich) unter Beobachtungsstufe "Orange"(Warnstufe) in 80 % der Fälle vorhergesagt werden konnten. Der Prozentsatz der gefährlichen Ereignisse, die nicht erkannt werden, hat sich deutlich verringert: von 2004 auf 2006 ist der Anteil von 6% auf 1% gefallen.
Vorhersagegenauigkeit um einen Tag ausweiten
Mit den neuen Satelliten wie MetOp (Meteorological Operational satellite) und Fortschritten bei den Vorhersagemodellen hofft man nun bei der mittleren Vorhersagedauer, das ist der Bereich von 3-10 Tagen, in den nächsten 10 Jahren die Vorhersagegenauigkeit um einen Tag auszuweiten, so nähert man sich dem Limit von 15 Tagen. Um die kurzfristige Wettervorhersage weiter zu verbessern, zur besseren Antizipation und quantitativ verlässlicheren Vorhersage von gefährlichen Wetterphänomenen mit drastischen Folgen wie Starkniederschläge etc., stützt man sich auf das Wettermodell AROME (Application of Research to Operations at MesoscalE) und Radarbeobachtung, Beobachtungsnetze in situ und geostationäre Satelliten wie Meteosat der zweiten Generation. So will man nicht nur den Wetter-Phänomenen einen Schritt voraus sein, sondern vielmehr einen möglichen Schaden für die Bevölkerung vermeiden.
Genauigkeit pur: Das AROME Modell bei einer Wettermodellierung
Unwetter: Höhere Kosten sind die Folge
Die Allianz (Deutschlands größter Versicherungsträger) und der britische Verband der Versicherer konferierten im Juni 2005 über das Thema Klimawandel. Der Schaden an Sachgegenständen, die jedes Jahr entstehen, wird von ihnen weltweit auf ca. 10 Milliarden Euro geschätzt. Diese Summe wird sich schätzungsweise bis 2080 auf 27 Milliarden erhöhen.
Konkurrenzdruck gibt es im eigentlichen Sinne nicht
Einen Konkurrenzdruck verspürt der französische Riese unter den Wetterdiensten nicht. Die Zusammenarbeit mit anderen Diensten ist einfach von Nöten - auch weil das Wetter so chaotisch geworden ist. Piere E. Bisch, Präsident von Météo Francé, bekräftigte die Wichtigkeit dieser Kooperationen mit den einzelnen Wetterdiensten und Organisationen. „Man stehe in ständigem Kontakt mit den größten Wetterdiensten der Welt.“. „Ob Japan (Earth Simulator) – ein Projekt für die spezielle Klimaforschung, Deutschland (DWD) oder England (UK Met Office) : „Das Wetter ist nicht mehr alleine regional zu betrachten“, globalisierte er weiter.
„Das ist auch der Grund, warum immer mehr Leistung benötigt wird. Ob national oder international: Unsere gesamten Datensätze, dazu gehören Satellitenbilder, Radaraufnahmen und die einzelnen Klima-Modelle, müssen immer wieder aufs Neue berechnet werden. Das kostet sehr viel Zeit und diese Zeit hat ein Wetterdienst nun mal nicht“, fügt Philippe Gire, Western Europe Operations Director NEC HPC Europe, hinzu. Im Supercomputing spricht man von sogenannten Schlüsselwörtern: „Leistung“ und „Computer-Zeit“. Das bedeutet: Je geringer die Anzahl der Prozessoren und je höher ihre jeweilige Geschwindigkeit, desto einfacher ist es auch, ihr vorhandenes Potenzial wirklich zu nutzen und somit auch aufwendige Modelle schneller zu fahren.
Das Herz von MF: Die Zentrale erinnert an "Housten, wir haben ein Problem!"
Weltweite Steuerung aus der Schweiz
Internationale Kooperationen werden von der World Meteorological Organization (WMO) geleitet und überwacht. Die Sonderorganisation der Vereinten Nationen steuert also Institute und Organisationen für Meteorologie, Hydrologie und die damit verbundene Geophysik. Die staatenübergreifende Einrichtung mit 187 Mitgliedsländern, hat ihren Hauptsitz in Genf in der Schweiz. Sie fördert den internationalen Aufbau und Betrieb von Informationssystemen, die einen schnellen Datenaustausch weltweit ermöglichen. Nebenbei steuert sie auch die Standardisierung von meteorologischen und weiteren relevanten Beobachtungsdaten und dazu die Sicherung der einheitlichen Veröffentlichung der Daten und Statistiken.
Seit 140 Jahren nationale Vorhersagen
Dank erfolgreicher Kooperation mit anderen Wetterdiensten und der eigenen Rechenleistung ist beispielsweise auch das Met Office seit 140 Jahren der nationale Wetterdienst von Großbritannien und zusammen mit Météo Francé weltweit führend in der Wettervorhersage und der Umweltkunde. Es stellt seine Dienstleistungen Behörden, Handel und Medien zur Verfügung. Seine Untersuchungen gelten den Auswirkungen des Wetters auf die Umwelt sowie auch Umweltforschungsgebieten wie Hydrologie und Ozeanografie. Die Hälfte der Kapazitäten des staatlichen englischen Wetterdienstes dient der Berechnung von Wetterprognosen, die andere Hälfte steht für Klimasimulationen und Klimafolgenforschung zur Verfügung. Auch der französische Wetterdienst bedient sich dieser nützlichen Arbeitsweise. Das im Frühjahr 2005 gelieferte System SX-8 verdoppelt die Rechenleistung jedes der 120-Prozessor starken NEC SX-6 Systeme, die erst seit April 2003 im Einsatz sind – insgesamt erreicht das System eine Spitzenleistung von über 3,7 Teraflops. Die theoretische Spitzenleistung des Rechners liegt bei 16 Milliarden Berechnungen in der Sekunde pro Prozessor.
Was bringt die Zukunft?
„NEC wird sich nicht auf den jetzigen Lorbeeren ausruhen“, betont Philippe Gire. „Das Wetter schläft nicht, legt keine Pausen ein und wird immer extremere Ausmaße annehmen. Dadurch steigen auch die Anforderungen an die Rechner und somit die Leistung an sich“, erklärt der Manager weiter. Um also den Kooperationen gerecht zu werden und immer besseren Service zu bieten, das ist ja das primäre Ziel eines jeden Dienstes, hat die Zukunft somit schon begonnen. In zwei Jahren, also 2009 soll der SX-8X Prozessor die R-Reihe ablösen und 2010 folgt dann der SX-8XX Prozessor.
Baldiges Prozessor Upgrade geplant: 2009-SX-8X und 2010- der SX-8XX Prozessor
Aber sowohl in den USA als auch in Japan arbeitet man bereits an der Entwicklung eines Petaflop-Rechners – also eines Rechners, der in der Lage ist, eine Billiarde Rechenoperationen pro Sekunde auszuführen (mehr als die siebenfache Leistung des Blue Gene/L Supercomputers am Lawrence Livermore Laboratory). Auch in Europa plant man ähnliche Projekte. Das Gauss Centre für Supercomputing ist mit 90 bereitgestellten Teraflops das größte Projekt in der EU "Mit dem Zusammenschluss bauen wir das nationale, deutsche Zentrum für Supercomputing auf", erläutert Prof. Achim Bachem, Sprecher des Gauss Centre for Supercomputing und Vorstandsvorsitzender des Forschungszentrums Jülich. "Mit den drei herausragenden deutschen Höchstleistungsrechenzentren, Stuttgart, Jülich, München, bilden wir das leistungsstärkste Zentrum in Europa." Technisch gesehen muss man aber abwarten und weiter beobachten: So sind die Rechenzentren an ihren eigenen Kapazitäten-Limits angekommen und können ihre Computerleistung eigentlich nur theoretisch an andere Zentren abtreten.
Kaffeesatzlesungen waren also gestern. Was aber wird morgen, was übermorgen? Eine Zukunft der Ungewissheit ist zum Teil vorhersagbar, ein anderer Teil ist nur schätzbar. Mit Ausblick auf die Zukunft bedeutet das: Immer mehr wachsende Kapazitäts- und Rechenleistungen führen dazu, dass Prognosen auch immer konkreter und präziser gestellt werden können. Damit rückt das Supercomputing im Hinblick auf die Wetter- und Klimaforschung immer mehr in den Vordergrund. Schauen wir also auf gestern, auf heute – dann kennen wir auch das Morgen!