Technischer Meilenstein erreicht: globale Erdsystem-Simulationen mit 1,2 km Auflösung

Das Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) hat ein neues Kapitel in der Erdsystemmodellierung aufgeschlagen, das für Klimaforscher*innen lange Zeit einen Traum darstellte und dessen Erreichen in weiter Ferne zu liegen schien.

Die Abbildung zeigt eine Momentaufnahme der globalen 1,2 km ICON-ESM-Simulation mit einem Zoom auf den Agulhasstrom, der Ringe bildet, wenn er an der Küste der Südspitze Afrikas reflektiert wird. Über dem Land wird die oberflächennahe Temperatur angezeigt, über dem Ozean die Oberflächentemperatur und als Struktur wird die Strömungsgeschwindigkeit des Oberflächenwassers eingeblendet. Auf der rechten Seite der Abbildung ist das simulierte Wolkenfeld in weißer Schattierung dargestellt. Credit: Florian Ziemen/DKRZ

Erstmals auf dem WCRP World Modelling Summit for Climate Prediction im Jahr 2008 hervorgehoben, formulierten Mitchell et al. (2012) vor 10 Jahren in einem Strategiepapier für die europäische Gemeinschaft der Erdsystemmodellierer für den Zeitraum von 2012 bis 2022 eine längerfristige „grand challenge“, eine wichtige wissenschaftliche Aufgabe: „[...] die Entwicklung globaler Klimamodelle, die Bewegungen auf der konvektiven Skala auflösen (etwa 1 km horizontale Auflösung)“. Auf dem kürzlich installierten neuen Supercomputersystem „Levante“ am Deutschen Klimarechenzentrum (DKRZ) gelang es nun einem Team von Modellierungsexpert*innen des MPI-M und des DKRZ erstmals eine vollständig gekoppelte globale 3D-Version des ICON-basierten Erdsystemmodells (ESM) mit einer horizontalen Auflösung von 1,2 km in Atmosphäre und Ozean zu betreiben.

 

Diese ersten erfolgreichen Läufe werden auf etwa einem Drittel der CPU-Rechenkapazität von Levante gestartet (2520 Rechenknoten mit zwei CPUs und 256 GB Hauptspeicher), mit einem Durchsatz von 2,5 simulierten Tagen pro Tag. Damit ist Levante der einzige Supercomputer in Europa, auf dem derzeit eine Simulation mit ICON in dieser hohen Auflösung möglich ist. Unsere ICON-ESM-Konfiguration wird bereits für wissenschaftliche Zwecke mit horizontalen Auflösungen von 10 km, 5 km und 2,5 km eingesetzt. Mit der 1,2 km-Konfiguration haben wir nun die Tür für eine neue Klasse numerischer Modelle geöffnet. Sie werden es uns ermöglichen, die lokalen Auswirkungen des Klimawandels, wie extreme Niederschläge, Stürme und Dürren, zu untersuchen.

 

Diese Entwicklung ist Teil des vom BMBF geförderten Projekts WarmWorld, des von der EU geförderten Projekts nextGEMS und wird zum Projekt Destination Earth (DestinE), in dem ein digitaler Zwilling des Erdsystems entwickelt werden wird, beitragen.

 

Anstatt Feuchtekonvektion, Schwerewellen und Ozeanwirbel zu parametrisieren, werden sie mit Hilfe der Bewegungsgleichungen simuliert. Dadurch können wir die Modellcodes vereinfachen, die Ergebnisse leichter verstehen und so einen besseren Einblick in die physikalischen Prozesse gewinnen, die das vergangene, gegenwärtige und zukünftige Klima bestimmen.

 

Literaturhinweise:

Hohenegger, C., et al. (submitted) ICON-Sapphire: simulating the components of the Earth System and their interactions at kilometer and sub kilometer scales. Geoscientific Model Development. https://gmd.copernicus.org/preprints/gmd-2022-171

Mauritsen et al., 2022: Early development and tuning of a global coupled cloud resolving model, and its fast response to increasing CO2. Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography, 74(1), pp.346–363. DOI: doi.org/10.16993/tellusa.54

Mitchell et al., 2012: Infrastructure strategy for the European Earth System Modelling community 2012-2022. ENES Rep. Ser. 1, 33 pp., https://raw.githubusercontent.com/IS-ENES3/IS-ENES-Website/main/pdf_documents/IS-ENES_ENES_Foresight.pdf

 

Weitere Informationen

Website: Die Zukunft der Klimamodellierung – die Kilometerskala

 

Kontakt:

Dr. Daniel Klocke
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: daniel.klocke@we dont want spammpimet.mpg.de

 

Dr. René Redler
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: rene.redler@we dont want spammpimet.mpg.de

 

Prof. Dr. Bjorn Stevens
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: bjorn.stevens@we dont want spammpimet.mpg.de

 

Karl-Hermann Wieners
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: karl-hermann.wieners@we dont want spammpimet.mpg.de