Jenseits der Hellseherei. Supercomputer als Prognosemaschinen

Supercomputer erschaffen neue Welten. In rasendschnellen Rechenvorgängen werden Faktoren hochgerechnet, um eine mögliche Zukunft zu entwerfen. Das Wachstum der Städte. Der Anstieg des Individualverkehrs. Die Nahrungsmittelnachfrage im Jahr 2030.

Herausragend ist dabei vor allem die Entwicklung von Klimamodellen. Numerische Simulationen auf Supercomputern sind bei der Lösung vieler wissenschaftlicher Fragen mittlerweile unverzichtbar geworden. Die Technologie hat aber auch große Auswirkungen auf gesellschaftliche Fragen. Wir diskutieren am Beispiel Klimaforschung, ob sich Gesellschaft und Politik auf die Prognosen numerischer Simulationen verlassen können. Wo liegen die Chancen und Risiken der Klimamodellierung? Welche Herausforderungen stellen sich für die Zukunft?

 

Supercomputer als Politikberater: Beispiel Klimamodellierung von Lars Hoffmann, Sabine Grießbach und Thomas Lippert vom Jülich Supercomputing Centre, Forschungszentrum Jülich

Supercomputer sind heute eine wichtige Entscheidungshilfe in vielen Bereichen. Im Fahrzeugbau werden sie genutzt, um aerodynamisch optimierte und effiziente Fahrzeugformen zu entwerfen. Im Bauwesen ist die sichere Berechnung der Statik neuer Hochhäuser und Brücken ohne numerische Simulationen undenkbar. Auch in der Medizin spielen sie immer häufiger eine zentrale Rolle. So will man im „Human Brain Project“ ein menschliches Gehirn mit all seinen Einzelheiten auf Supercomputern simulieren, um Krankheiten wie Alzheimer auf die Spur zu kommen. Auch bei der Analyse großer Datenmengen sind Supercomputer unerlässlich. Sie helfen bei der Suche nach neuen Elementarteilchen, der dunklen Materie und der Entschlüsselung des menschlichen Erbguts.

Anwendungsbeispiele für numerische Simulationen

Eine besondere Herausforderung ist die Simulation von Prozessen, bei denen der Mensch eine aktive Rolle spielt. Neben den bekannten Naturgesetzen sind hier zusätzlich statistische Betrachtungen zu berücksichtigen. Ein plastisches Beispiel ist die Sicherheitsforschung, bei der das Verhalten von Menschen in Notsituationen untersucht wird, z. B. bei Evakuierungen. Hier stellen Vorhersagen durch Simulationen für die Einsatzkräfte eine wesentliche Hilfe bei der Entwicklung von Rettungsstrategien dar. Numerische Simulationen in Ökonomie und Finanzwesen sind weitere Bereiche, in denen das menschliche Verhalten eine besonders wichtige, aber nur schwer modellierbare Komponente des zu betrachtenden Systems darstellt.

Dieser Beitrag beschäftigt sich mit dem Thema Klimaforschung, bei dem komplexe numerische Simulationen auf Supercomputern eine Schlüsselrolle spielen. Es wird erläutert, wie Klimaprognosen erstellt werden und ob sie eine verlässliche Grundlage politischer Entscheidungen sein können. Zur Analyse der Klimageschichte stehen umfangreiche Archive an Messdaten zur Verfügung, von Zeitreihen aus Eisbohrkernen bis hin zu Satellitendaten. Diese Daten werden fortlaufend von Wissenschaftlern unterschiedlicher Fachrichtung zusammengetragen. Das zukünftige Klima kann jedoch nur mit Hilfe von numerischen Simulationen prognostiziert werden.

Hintergrundwissen zur Klimamodellierung

Klimamodelle können als eine umfangreiche Kombination von Teilmodellen verstanden werden, die jeweils einzelne Komponenten des Erdsystems und die darin ablaufenden geophysikalischen Prozesse beschreiben. Die Entwicklung erster gekoppelter Modelle für Atmosphäre und Ozeane begann in den 1960er Jahren. In den folgenden Jahrzehnten wurden die Modelle schrittweise erweitert, etwa um Teilmodelle für Land und Eis. Heute stellen die umfassende Abbildung der Atmosphärenchemie und der Stoffkreisläufe besondere Herausforderungen dar. Eine verbesserte Berücksichtigung von Aerosolen und Wolken ist ebenfalls Gegenstand aktueller Forschung.

Klimamodelle sind für Simulationen auf globalem Maßstab und für lange Zeiträume entworfen. Dazu wird die Erdoberfläche in Gitterboxen von einigen hundert Kilometern Ausdehnung unterteilt. Kleinskalige Phänomene, wie Gewitter, können auf dieser Skala nicht aufgelöst werden. Gleiches trifft auf die Mikrophysik von Wolken zu. Wolken haben aber einen großen Einfluss auf die Strahlungsbilanz und das Klima. Die Verwendung von Parametrisierungen ist eine Möglichkeit, diese nicht direkt darstellbaren Prozesse in den Modellen zu berücksichtigen. Einen Vorgang zu parametrisieren heißt, die kleinskaligen Phänomene, die sich innerhalb der Gitterboxen abspielen, durch physikalisch konsistente Mittelwerte zu repräsentieren. Parameterisierungen werden zum Beispiel mit Hilfe von räumlich und zeitlich hoch aufgelösten Simulationen entwickelt und durch den Vergleich mit Messdaten aus Labor- und Feldstudien überprüft.

Sogenannte Ensemblesimulationen sind eine wichtige Methode der Klimamodellierung, deren Potential erst auf Supercomputern voll ausgeschöpft werden kann. Hierbei wird die gleiche Simulation mehrfach gestartet, aber mit jeweils leicht unterschiedlichen Anfangs- und Randbedingungen. Damit werden die Unsicherheiten der Simulationen bestimmt. Klimaprognosen umfassen häufig einen Zeitraum von 100 Jahren. Während dieser Periode ändern sich jedoch Randbedingungen, wie z. B. die Emissionsraten von Treibhausgasen. In den Simulationen werden deshalb viele verschiedene Szenarien gerechnet, um unterschiedliche Verläufe zu berücksichtigen. Damit sind Klimasimulationen ein gutes Werkzeug zur Analyse von „Was-wäre-wenn“-Fragen.

Zur Überprüfung der Klimamodelle stehen vielfältige Methoden zur Verfügung. Zwar sind Prognosen für die Zukunft immer mit Unsicherheiten behaftet, jedoch kann überprüft werden, wie gut die Modelle die Klimageschichte der Vergangenheit reproduzieren. Solche Tests zeigen etwa, dass die globalen Temperaturtrends seit dem Jahr 1900 sehr gut wiedergegeben werden. Daneben werden identische Szenarien mit mehreren Modellen gerechnet und untereinander verglichen. Aus den Unterschieden kann man ebenfalls auf Unsicherheiten bei den Simulationen schließen.

Im Jahr 1988 wurde das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) gegründet. Der Weltklimarat trägt weltweit die Arbeit der Wissenschaftler zusammen und veröffentlicht sie im Rahmen von Sachstandsberichten. Von den bisher vier veröffentlichten Berichten erschien der letzte im Jahr 2007. Die Berichte fassen die wissenschaftlichen Erkenntnisse zur anthropogenen und natürlichen Klimaveränderung zusammen. Sie zeigen Auswirkungen des Klimawandels auf und beschreiben Möglichkeiten zur Minderung und Anpassung. Die Zusammenarbeit der Wissenschaftler im IPCC erfolgt interdisziplinär. Vertreter unterschiedlichster Fachrichtungen entwerfen gemeinsam ihre Handlungsempfehlungen.

Klimasimulationen als Entscheidungshilfe

Um den Folgen des Klimawandels begegnen zu können, benötigen Politiker und Gesellschaft belastbare Informationen, um etwa die Notwendigkeit und den Bedarf für Anpassungsmaßnahmen abzuschätzen. Der Klimawandel geht mit erheblichen Auswirkungen einher, deren Anzeichen bereits heute zu beobachten sind. Dazu zählen der Meeresspiegelanstieg, schmelzende Gletscher und polare Eiskappen, sowie eine zunehmende Zahl extremer Wetterereignisse, wie Wirbelstürme, Starkniederschläge oder Dürreperioden.

Die Auswirkungen des Klimawandels erfordern eine Anpassung an geänderte Umweltbedingungen. So müssen an einer Stelle Bewässerungsmaßnahmen für trockene Regionen und andernorts gar die Umsiedlung von Bewohnern aus Überschwemmungsgebieten geplant werden. Diese aufwändigen Maßnahmen benötigen ausreichend Vorlaufzeit. Eine Zunahme extremer Wetterereignisse ist zwar über die Zeit immer besser statistisch erfassbar, jedoch entstehen fortlaufend Schäden und Kosten. An dieser Stelle können Klimasimulationen helfen. Erst mit deren Hilfe ist es möglich, die Auswirkungen des Klimawandels genauer zu prognostizieren und festzustellen, inwieweit Emissionsgesetze zur Reduzierung des Treibhausgasausstoßes eine wirksame Maßnahme sind.

Der Klimawandel ist ein globales Phänomen mit komplexen Wechselwirkungen und lokal völlig unterschiedlichen Auswirkungen. Mit Klimamodellen, die auf gesichertem Wissen über physikalische und chemische Prozesse des Erdsystems basieren, ist es möglich, diese komplexen Zusammenhänge abzubilden Die enorme Rechenkapazität der Supercomputer ermöglicht eine umfangreiche Variation der Anfangs- und Randbedingungen und damit die Abschätzung der Unsicherheiten der Vorhersagen.

Grenzen und Risiken

Klimamodelle liefern verlässliche Prognosen unter der Voraussetzung, dass sich die Randbedingungen während des betrachteten Zeitraums nicht zu stark ändern. Extreme Ereignisse können von Klimamodellen aber nicht vorhergesehen werden. Ein Beispiel sind sehr starke Vulkanausbrüche, bei denen weder der Zeitpunkt des Ausbruchs noch die Emissionsmengen von Schwefeldioxid und Aerosolen vorab bekannt sind. Vulkanausbrüche rufen abrupte Klimaveränderungen auf kurzen Zeitskalen hervor. Die durch den Eintrag stratosphärischer Aerosole bedingte Abkühlung am Erdboden ist in der Regel nach ein bis drei Jahren nicht mehr nachweisbar. Lediglich sehr starke Vulkanausbrüche rufen längerfristige Veränderungen hervor.

Trotz des Einsatzes von Supercomputern steht nur eine endliche Menge an Rechenzeit zur Verfügung. Diese kann z. B. benutzt werden, um die Klimamodelle mit höherer räumlicher Auflösung zu rechnen und die Unsicherheiten durch Parametrisierungen zu verringern. Alternativ kann die Fehlerabschätzung verbessert werden, indem möglichst viele Simulationsläufe als Ensemble berechnet werden. Schließlich besteht die Möglichkeit, die Komplexität der Simulationsläufe selbst zu verändern, indem nur bestimmte geophysikalische Prozesse und Teilmodelle des Erdsystems berücksichtigt werden. Die Verteilung der Rechenzeit in Hinblick auf diese Fragestellungen ist komplex und hängt von dem jeweiligen Sachverhalt ab, der mit den Simulationen beleuchtet werden soll.

Klimasimulationen sind derzeit die einzige Möglichkeit für Gesellschaft und Entscheidungsträger, die zukünftigen Auswirkungen ihres Handelns auf das Klima zu untersuchen. Um Klimaprognosen als Entscheidungsgrundlage zu verwenden, ist eine einzelne Klimasimulation nur begrenzt hilfreich. Es muss die Gesamtheit vieler Prognosen betrachtet werden, damit auch die Unsicherheiten in Entscheidungsprozesse einbezogen werden können.

Herausforderungen für die Zukunft

Die verlässliche Prognose anthropogen verursachter Klimaveränderung ist eine zentrale wissenschaftliche Herausforderung für das 21. Jahrhundert. Die Klimaforscher sind bestrebt ihre Modelle immer weiter zu entwickeln und zu verbessern. Neue Erkenntnisse über die komplexen Prozesse des Erdsystems ermöglichen noch genauere Simulationen. In Kombination mit immer leistungsfähigeren Supercomputern können die Klimaprognosen noch zuverlässiger werden.

Klimamodelle umfassen typischerweise mehrere Millionen Zeilen Programmcode. Die Simulationen sind technisch aufwändig und stellen sowohl für die Wissenschaftler als auch die IT-Experten an den Rechenzentren eine zentrale Aufgabe dar. Die Programme müssen ständig optimiert werden, um die neuesten Supercomputer optimal nutzen zu können. Auch die Supercomputer unterliegen einer ständigen Weiterentwicklung. Schon nach drei Jahren kann ein ganzes System erneuert werden. Die enorme Menge der zu verarbeitenden Daten erfordert eine geeignete Infrastruktur zur Archivierung und Visualisierung und ist ebenfalls eine wesentliche Aufgabe für die Rechenzentren.

Gesellschaft und Politik werden sich mit den Folgen des Klimawandels auseinandersetzen müssen. Dabei spielen die Ergebnisse der Klimasimulationen eine zentrale Rolle. Supercomputer sind ein Werkzeug für Wissenschaftler. Sie liefern Ergebnisse, die von den Klimaforschern ausgewertet und für die Gesellschaft verständlich aufbereitet werden müssen. Die Motivation, sich mit den Ergebnissen auseinander zu setzen, muss jedoch aus der Gesellschaft selbst erwachsen.

Unter den Wissenschaftlern des IPCC besteht ein breiter Konsens, dass die heutigen Klimamodelle glaubwürdige, quantitative Vorhersagen der globalen Klimaveränderungen liefern. Ohne Supercomputer und Klimasimulationen können die Auswirkungen unseres Handelns auf die Zukunft nicht bewertet werden. Die Frage, ob die mit Hilfe von Supercomputern erzeugten Ergebnisse der Klimaforscher eine nützliche Entscheidungshilfe für die Politik sind, beantworten wir mit einem klaren „Ja“.

 

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