Meteorologie Ein Supercomputer für das Wetter

Illustration: Stefan Dimitrov

Schweizer Meteorologen wollen mit einem Superrechner mit ungewöhnlichem Aufbau das Wetter ergründen. Technik aus der Computerspiel-Industrie soll Prognosen genauer machen.

Von Helmut Martin-Jung

Das Wetter darf nicht fehlen: Keine Nachrichtensendung ohne einen Blick darauf, ob es warm wird oder kalt, ob es regnet, schneit oder die Sonne scheint. Lange Zeit mussten sich die Menschen auf ihre Erfahrung verlassen, auf Bauernregeln; Wetterfahnen und Regenmesser waren bis in die Neuzeit hinein die einzigen Instrumente, um Wetterphänomene zu erfassen. Erst mit der Erfindung des Thermometers durch Galilei (1592) und des Barometers durch Evangelista Torricelli (1643), einen seiner Schüler, kamen mehr Möglichkeiten hinzu. Die Meteorologie ist eine datengetriebene Wissenschaft geblieben, sie ist es heute mehr denn je.

Die riesige Datenmengen, die dabei verarbeitet werden, die ausgeklügelten Algorithmen, nach denen sie ausgewertet werden, erfordern gewaltige Rechenanlagen, die wiederum viel Strom verschlingen. Daher werden sich viele Wetterämter und Meteorologie-Unternehmen genau ansehen, was das Schweizerische Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie, kurz Meteo Schweiz, vor kurzem im Testbetrieb gestartet hat. Ein komplett neu designter Superrechner verbraucht weniger Energie als sein Vorgänger, rechnet aber 40 Mal so schnell.

Darauf haben die Meteorologen nur gewartet, denn damit können sie das virtuelle Gitternetz, mit dem die Entwicklung des Wetters vorhergesagt wird, doppelt so engmaschig ziehen wie bisher und so genauere Prognosen liefern. Die Schweizer sind die erste nationale Wetterbehörde weltweit, die auf einen Rechner mit dieser neuen Bauweise setzen.

Es ist zwar bekannt, dass sich durch die Entwicklung der Prozessortechnologie die Rechenleistung von Computern regelmäßig erhöht, doch selbst diese - an sich schon irrwitzige - Leistungssteigerung hätte nicht ausgereicht, um einen solchen Riesensprung hinzulegen. Zwei Faktoren sind es, die neben schnelleren Hauptprozessoren dazu beigetragen haben, dass der neue Superrechner von Meteo Schweiz so viel leistungsfähiger ist als sein Vorgänger: "Wir haben ziemlich investiert in die Software", erläutert Thomas Schulthess. Er ist Professor für Physik an der ETH Zürich und leitet das nationale Zentrum für Höchstleistungsrechnen (CSCS) der Schweiz in Lugano. Vor allem, sagt er, sei es dabei um die Dynamik der Luftmassen gegangen. Das Programm sei nun leichter zu bedienen, und es laufe auch auf verschieden aufgebauten Rechnern.

Die Programme sind dieselben wie jene, mit denen Spieler ansonsten Monster jagen

Letzteres ist wichtig, denn der neue Rechner in Lugano setzt auf einen vergleichsweise neuen Aufbau. In ihm rechnen nicht nur Standard-Prozessoren, sondern auch solche, die für gewöhnlich dann zur Höchstform auflaufen, wenn es darum geht, Monster durch dunkle Keller zu jagen oder mit aufgemotzten Autos durch amerikanische Großstädte zu brettern - Grafikkarten. Diese Zusatzgeräte, verbaut auf Steckkarten, haben Prozessoren, die ganz anders konstruiert sind als diejenigen, die den Computer antreiben.

Die bei Meteo Schweiz eingesetzten Tesla-K80-Karten des US-Herstellers Nvidia verfügen über insgesamt knapp 5000 Rechenkerne. Die rechnen zwar für sich genommen weitaus langsamer als die Kerne von Hauptprozessoren. Doch haben die weitem nicht so viele davon. Die Tausende von Recheneinheiten nehmen sich die Daten parallel vor und sind damit erheblich schneller. Voraussetzung ist nur, dass die Software zur Berechnung der Wettermodelle diese Herangehensweise auch unterstützt. Nach einem ähnliche Prinzip arbeitet auch der chinesische Superrechner Tianhe 2, der im Juni zum fünften Mal hintereinander zum schnellsten Rechner der Welt gekürt wurde.

Was aber bringt die gesteigerte Rechenleistung nun genau für die Wettervorhersage? Um das Wetter zu prognostizieren, müssen die Daten der Wetterstationen - weltweit gibt es allein 11 000 landgestützte Messeinrichtungen - erfasst und anhand von standardisierten Modellen mithilfe von Algorithmen durchgerechnet werden. Dazu teilt man die Region, für die Voraussagen erstellt werden sollen, horizontal und vertikal in Quadranten ein. Je enger man dieses virtuelle Netz zieht, umso genauer werden die Prognosen - umso höher steigen aber auch die Anforderungen an die Rechenleistung.

Bisher verwendet Meteo Schweiz ein horizontales Raster von 2,2 Kilometern Kantenlänge - was aber oft zu grobmaschig ist für das Alpenland mit seinen vielen Bergen und Tälern. "Die Schweiz hat dadurch ein sehr verschiedenes Wetter", sagt Thomas Schulthess. Mit dem neuen Superrechner wird es möglich sein, das Raster auf 1,1 Kilometer Kantenlänge zu verkleinern. "Man hätte gerne noch mehr Auflösung", gesteht Schulthess, "aber irgendwann wird es nicht mehr wirtschaftlich." Jede Verdoppelung des Rasters erfordere schließlich eine um das Zehnfache gesteigerte Rechenleistung.

Fällt der Wettercomputer aus, müssen Flugzeuge am Boden bleiben

In Deutschland verwendet der Deutsche Wetterdienst übrigens eine Auflösung von 2,7 Kilometern - was aber ausreichend ist, da die meisten Regionen des Landes viel weniger zerklüftet sind als die Schweiz. In beiden Ländern - und einer Reihe von weiteren - wird dasselbe Wettermodell verwendet, genannt Cosmo. Daran arbeiten nicht nur die Wetterämter mit, sondern auch etwa 50 Universitäten. "Es gibt da überhaupt eine starke Community", sagt Experte Schulthess, man kooperiere auch mit Diensten aus den USA und Japan. Mit guten Ergebnissen: Als der Hurrikan Sandy am 29. Oktober 2012 auf die amerikanische Ostküste traf, war es auch dem britischen Wetterdienst in Reading zu verdanken, dass die Warnungen sehr präzise ausgefallen waren.

Aber auch im täglichen Leben spielen die Wetterdienste mit ihren möglichst zutreffenden Prognosen eine wichtige Rolle. Meteo Schweiz zum Beispiel beliefert auch die Flugsicherung mit Informationen darüber, mit welchen Bedingungen die Piloten zu rechnen haben - würden die Wetter-Computer streiken, müssten die Flugzeuge am Boden bleiben.

Dies ist einer der Gründe, warum die Anlage in Lugano redundant ausgelegt ist. Ein System wird die Prognosen berechnen und zwar 20 Mal pro Tag, ein zweites läuft im Hintergrund im Leerlauf und übernimmt, sobald das erste ausfällt. Meteo Schweiz stellt auch nicht sofort auf die neue Anlage um, sondern lässt sie zunächst einmal parallel zur bisherigen mitlaufen, die auch erst 2012 angeschafft wurde. Erst wenn das neue System alle vier Jahreszeiten einmal bewältigt hat, also im Frühjahr 2016, könnte das neue System übernehmen - falls die neue Software sich so bewährt, wie die Schweizer hoffen. Diese Software steht auch den anderen Mitgliedern des Konsortiums zur Verfügung, darunter auch der Deutsche Wetterdienst.

Der neue Supercomputer ist - verglichen mit Höchstrechenanlagen wie in Jülich (JuQueen) oder Garching (SuperMuc) relativ günstig, 2,5 Millionen Franken (2,3 Millionen Euro) kosteten die beiden Rechenanlagen.

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