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Teilvorhaben 5

Das Projekt "Teilvorhaben 5" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für Meteorologie durchgeführt. Zentrales Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Bereitstellung eines hochparallelen numerischen Modells zur Simulation von Wolken und Niederschlag. Dieses Modell wird das zentrale Simulationswerkzeug des HD(CP)2 Rahmenprogramms sein. Basierend auf dem bereits am DWD in der Testphase befindlichen nicht-hydrostatischen dynamischen Kern des ICON Modells werden wir ein effizientes auf verschiedenen Hochleistungsrechnern einsetzbares Modell bereitstellen. Neben dem Modell selbst werden wir eine Laufzeitumgebung ('Workflow') entwickeln und bereitstellen. Am Ende des Projektes wird als Nachweis der Funktionalität und Effizienz des Modells eine Serie von 'Hindcasts' basierend auf DWD-Analysen stehen. Das MPI-M arbeitet als Teil des HD(CP)2 Modell-Entwicklungsteams vor allem mit dem DWD. Am Ende des Projektes sollte dieses Modell zeigen, dass sehr hoch aufgelöste Simulationen über einem Gebiet - ungefähr so groß wie Deutschland - mit einer Gittergröße von 100 m-400 m möglich sind. Es handelt sich zentral um Nutzer-Koordination sowie Entwicklung, Implementierung und physikalische Parametrisierung des HD(CP)2 Modells. Dabei gilt es physikalische Modell-Konfigurationen zu bestimmen, benötigte Rechner Ressourcen beantragen und verfügbar zu machen und technischen Randbedingungen zu spezifizieren. Richtungsweisende Konzepte werden dann in Workshops festgelegt. Ein anderer Arbeitsschwerpunkt betrifft die Fertigstellung, Implementierung und Prüfung der physikalischen Modelle.

Teilprojekt 4

Das Projekt "Teilprojekt 4" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Köln, Institut für Geophysik und Meteorologie durchgeführt. Die Ziele dieses Projektes sind: (1) das ICON-Modell (LES-Auflösung) mit einer einheitlichen Daten- und Schnittstellenstruktur für die Implementierung verschiedener 'online'-Diagnostiken auszurüsten, und (2) über diese neue Infrastruktur neuartige Diagnosemethoden zu implementieren, die die Basis für die Modellvalidierung und die Entwicklung neuartiger Parameterisierungen bilden. Die Diagnostiken beinhalten die Verfolgung zeitabhängiger, deterministischer und stochastischer Phaenomene (z.B. Niederschlagsgebiete, eisübersättigte Regionen, Konvektionszellen, Fronten, etc.) sowie die Berechnung von Trajektorien, die Analyse von Turbulenzeigenschaften und die Analyse von Wahrscheinlichkeitsdichten (PDFs). Die verschiedenen Diagnosemethoden sollen in Kombination zur Laufzeit des Modells anwendbar sein. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, z.B. kann so die Entwicklung der PDFs während eines Lebenszyklus eines Objektes verfolgt werden. Das Projekt gliedert sich in 5 Arbeitspakete. In S1.3.4 soll die Richtigkeit des ICON Modells bzgl. der Kapazität und Profile der Zustandsgrößen, der Flüsse und Varianzen, der Grenzschicht- und Turbulenzschließungen für unterschiedliche Skalen sowie die Bodenheterogenität überprüft werden. Dazu werden diagnostische Größen definiert, Haushaltsgleichungen für diagnostische Größen programmiert, numerische Experimente mit dem ICON Modell durchgeführt, sowie die Modellergebnisse mit Benchmark-Datensätzen verglichen.

Teilprojekt 3

Das Projekt "Teilprojekt 3" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Institut für Physik der Atmosphäre Oberpfaffenhofen durchgeführt. Die Ziele dieses Projektes sind (1) das ICON-Modell (in LES-Auflösung) mit einer einheitlichen Daten- und Schnittstellenstruktur für die Implementierung verschiedener 'online'-Diagnostiken auszurüsten und (2) über diese neue Infrastruktur neuartige Diagnosemethoden zu implementieren, die die Basis für die Modellvalidierung und die Entwicklung neuartiger Parameterisierungen bilden. Die Diagnostiken beinhalten die Verfolgung zeitabhängiger, deterministischer und stochastischer Phänomene (z.B. Niederschlagsgebiete, eisübersättigte Regionen, Konvektionszellen, Fronten, etc.) sowie die Berechnung von Trajektorien, die Analyse von Turbulenzeigenschaften und die Analyse von Wahrscheinlichkeitsdichten (PDFs). Die verschiedenen Diagnosemethoden sollen in Kombination zur Laufzeit des Modells anwendbar sein. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, z.B. kann so die Entwicklung der PDFs während eines Lebenszyklus eines Objektes verfolgt werden. Das Projekt gliedert sich in 5 Arbeitspakete, das vorliegende widmet sich der Entwicklung, Implementierung, Optimierung und Anwendung einer übergeordneten Diagnose-Modellinfrastruktur, sowie der Implementierung neuartiger Diagnosemethoden über diese neue Schnittstelle. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit der ICON-Modellentwicklung.

Teilvorhaben 3

Das Projekt "Teilvorhaben 3" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Klimarechenzentrum GmbH durchgeführt. Zentrales Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Bereitstellung eines hochparallelen numerischen Modells zur Simulation von Wolken und Niederschlag. Dieses Modell wird das zentrale Simulationswerkzeug des HD(CP)2 Rahmenprogramms sein. Basierend auf dem bereits am DWD in der Testphase befindlichen nicht-hydrostatischen dynamischen Kern des ICON-Modells werden wir ein effizientes, auf verschiedenen Hochleistungsrechnern einsetzbares Modell bereitstellen. Neben dem Modell selbst werden wir eine Laufzeitumgebung ('Workflow') entwickeln und bereitstellen. Am Ende des Projektes wird als Nachweis der Funktionalität und Effizienz des Modells eine Serie von 'Hindcasts' basierend auf DWD Analysen stehen. Das DKRZ ist für die technische Koordination der Modellentwicklung zuständig und wird aktiv an der Optimierung der Modellleistung (Laufzeit), der effizienten Parallelisierung des Codes sowie der Sicherstellung der Portierbarkeit auf möglichst viele Rechnerarchitekturen arbeiten. Besonderes Augenmerk wird hierbei auf parallele Algorithmen und der Verbesserung des parallelen I/O und der Kommunikation liegen. Weiterhin wird der für die Arbeiten im HD(CP)2-Rahmen benötigte Arbeitsablauf analysiert und eine entsprechende Arbeitsumgebung zur effizienten Durchführung der umfangreichen und datenintensiven Experimentreihen bereitgestellt. Wichtiger Meilenstein nach zwei Jahren wird die Veröffentlichung einer Betaversion des Modells sein.

Teilvorhaben 4

Das Projekt "Teilvorhaben 4" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungszentrum Jülich GmbH, Institute for Advanced Simulation (IAS), Jülich Supercomputing Centre (JSC) durchgeführt. Zentrales Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Bereitstellung eines hochparallelen numerischen Models zur Simulation von Wolken und Niederschlag. Dieses Modell wird das zentrale Simulationswerkzeug des HD(CP)2 Rahmenprogramms sein. Basierend auf dem bereits am DWD in der Testphase befindlichen nicht-hydrostatischen dynamischen Kern des ICON Modelles werden wir ein effizientes auf verschiedenen Hochleistungsrechnern einsetzbares Modell bereitstellen. Neben dem Modell selbst werden wir eine Laufzeitumgebung ('Workflow') entwickeln und bereitstellen. Am Ende des Projektes wird als Nachweis der Funktionalität und Effizienz des Modells eine Serie von 'Hindcasts' basierend auf DWD Analysen stehen. Das JSC ist für eine technische Unterstützung der Modellentwicklung zuständig und wird aktiv an der Optimierung der Modellleistung (Laufzeit), der effizienten Parallelisierung des Codes sowie der Sicherstellung der Portierbarkeit auf möglichst viele Rechnerarchitekturen arbeiten. Insbesondere wird die Eignung des zu entwickelnden Modellsystems für zukünftige massiv-parallele Rechnerarchitekturen untersucht. Um eine optimale Nutzung von Rechnerkapazitäten sicherzustellen soll eine Hybridparallelisierung entwickelt werden, die optimal auf die Lastverteilung durch die Modellphysik und die Systemarchitekturen angepasst ist.

Teilvorhaben 2

Das Projekt "Teilvorhaben 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engineering Mathematics and Computing Lab (EMCL) durchgeführt. Zentrales Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Bereitstellung eines hochparallelen numerischen Models zur Simulation von Wolken und Niederschlag. Dieses Modell wird das zentrale Simulationswerkzeug des HD(CP)2 Rahmenprogramms sein. Basierend auf dem bereits am DWD in der Testphase befindlichen nicht-hydrostatischen dynamischen Kern des ICON Modelles werden wir ein effizientes, auf verschiedenen Hochleistungsrechnern einsetzbares Modell bereitstellen. Neben dem Modell selbst werden wir eine Laufzeitumgebung ('Workflow') entwickeln und bereitstellen. Am Ende des Projektes wird als Nachweis der Funktionalität und Effizienz des Modells eine Serie von 'Hindcasts' basierend auf DWD-Analysen stehen. In enger Zusammenarbeit mit dem DKRZ wird die Leistung des Modellcodes optimiert sowie die effiziente Parallelisierung sichergestellt. Dies geschieht insbesondere durch die Wahl geeigneter numerischer Algorithmen, welche numerisch stabil und robust sind. Hierzu wird eine Analyse verschiedener expliziter und impliziter Verfahren durchgeführt mit Hinblick auf Stabilität, Robustheit und Skalierbarkeit auf verschiedenen Plattformen, um optimale numerische Verfahren für den Modellcode ermitteln und implementieren zu können. Nach zwei Jahren wird als wichtiger Meilenstein ein Prototyp des Modells veröffentlicht, der bereits die endgültigen numerischen Verfahren beinhaltet. Darauf aufbauend werden weitere Optimierungen in Bezug auf die effiziente Implementierung durchgeführt.

Teilvorhaben 1

Das Projekt "Teilvorhaben 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutscher Wetterdienst, Geschäftsbereich Forschung und Entwicklung durchgeführt. Im Teilprojekt M1-1A wird der dynamische Kern des Modells ICON so erweitert, dass es auch für Large-Eddy-Simulationen einsetzbar sein wird. Hierzu ist insbesondere eine geeignete Parametrisierung subskaliger Turbulenz zu implementieren, die aufgrund der speziellen Gitterstruktur des ICON nicht einfach von anderen Modellen übernommen werden kann. Zudem sind weitere Optimierungen des dynamischen Kerns für die effiziente Nutzung massiv-paralleler Rechnerarchitekturen erforderlich. In Teilprojekt M1-1B werden Programme zur Bereitstellung externer Parameter (Topographie, Boden- und Landnutzungsdaten) sowie zur Generierung von Anfangs- und Randdaten so weiterentwickelt, dass Rohdaten mit einer Auflösung unter 100 m eingelesen werden können und Gebietsgrößen mit mehr als 50 Mio. Gitterpunkten verarbeitet werden können. In beiden Teilprojekten wird das ICON-Modell sowie die zugehörige Preprocessing-Software so erweitert und optimiert, dass sie den besonders hohen softwaretechnischen Anforderungen (v.a. Parallelisierung und Tauglichkeit bei sehr hohen Modellauflösungen) gerecht wird. Hierfür wird im Grundsatz auf bekannten Methoden aufgebaut, im Detail werden aber auch neuartige Ansätze erforderlich sein. Die Entwicklungen des Moduls M1 bilden die Grundlage für die zweite Projektphase von HD(CP)2 und somit für den Erfolg des Gesamtprojekts. Darüber hinaus kommen die Ergebnisse allen Nutzern des ICON-Modells zugute, das nach dem Erreichen eines hinreichenden Konsolidierungsgrades als Community-Modell den Universitäten und Forschungsinstituten zur Verfügung stehen wird.

Koordination und Teilprojekt 3: 'Sensitivitätsstudien zur Rolle von subskaliger Organisation'

Das Projekt "Koordination und Teilprojekt 3: 'Sensitivitätsstudien zur Rolle von subskaliger Organisation'" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für Meteorologie durchgeführt. Gewitterwolken kommen in den unterschiedlichsten Variationen am Himmel vor, von einzelnen zufällig verteilte Cumulonimbi bis zur Organisation in großräumigen Strukturen, die sich über tausende von Kilometern erstrecken können. Das Projekt geht der Frage nach, was ist die Rolle von dieser konvektiven Organisation fürs Klima. Dafür werden Simulationen mit dem ICON Modell mit einer Auflösung von bis zum 100 m durchgeführt. Fälle von konvektiver Organisation über Land (Deutschland) und über Ozean (tropische Atlantik) werden untersucht. Die Frage wird von zwei Blickwinkeln angegangen: Erstens wird die Darstellung der Organisation in Simulationen, die mit verschiedenen Auflösungen durchgeführt werden, charakterisiert. Ziel ist es, mögliche Beziehungen zwischen mangelhaft dargestellter Organisation und Modellfehler, z.B. in der Darstellung der großräumigen Zirkulation, anzuzeigen. Zweitens wird die Darstellung der Organisation gezielt verändert, um die Folgen davon zu untersuchen. Dafür werden Sensitivitätsstudien durchgeführt, indem die Organisation entweder gezwungen oder gehemmt wird.

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