Ozean-Modelle & HPC

Um eine Basis für ihr Programm an numerischen Simulationen und Experimenten zu schaffen, hat sich die Forschungseinheit Ozeandynamik zum Ziel gesetzt, ein flexibles und effizientes System an regionalen bis globalen Ozean-Modellen? für multidekadische, wirbelauflösende Simulationen zu entwickeln und zu unterhalten. Dabei soll insbesondere Effekten mesoskaliger Ozeanprozesse in kritischen Regionen des subpolaren Nordatlantiks, des tropischen Atlantiks und Pazifiks sowie einigen ozeanischen Schlüsselpassagen, wie dem Agulhas Regime südlich von Afrika, Rechnung getragen werden. Diese Konfigurationen stellen die ozeanische Komponente der flexiblen Ozean-Klima Infrastruktur (Flexible Ocean Climate Infrastructure - FOCI).

    Die meisten Modellläufe (Simulationen?) aus der Ozeandynamik basieren auf dem europäischen Community-Modell NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean; nemo-ocean.eu) und verwenden in den globalen Konfigurationen ein tripolares Gitter, das ORCA Gitter (siehe Grafik). Daneben gibt es noch sogenannte Nest-Varianten, die zusätzlich zu einem globalen Basisgitter (ebenfalls ORCA) eine mithilfe von AGRIF (Adaptive Grid Refinement In Fortran; agrif.imag.fr) eingebettete, regionale Verfeinerung aufweisen. Regionale Modelle, wie das Baltic Sea Model oder prozess-orientierte Modelle, wie z.B. das Shallow-Water Model komplettieren das Modellportfolio. Die einzelnen Simulationen laufen entsprechend ihrer Ressourcenanforderungen auf unterschiedlichen Höchstleistungsrechnern (siehe Abschnitt HPC für eine Übersicht).


      Aus den GEOMAR NEWS

      Aufwärmtraining: In diesen kleinen Flaschen hältert die Arbeitsgrupppe Stammkulturen verschiedener Genotypen der beiden untersuchten Arten. Foto: Andreas Villwock, GEOMAR
      21.03.2018

      Meeresforschung auf dem Trockenen

      Wie Modellsimulationen helfen, das Erdsystem besser zu verstehen


      Modell-Typen

       

      Global

      Unsere globalen Konfigurationen bilden eine Hierarchie extern angetriebener Ozean/Meereis Modelle (in Zusammenarbeit mit dem drakkar-ocean.eu Projekt). Die einzelnen Konfigurationen unterscheiden sich hauptsächlich in der horizontalen Auflösung.

      Die Karten in der nachfolgenden Übersicht zeigen die Oberflächengeschwindigkeit (niedrige (blau) und hohe (gelb und rot) Geschwindigkeiten) für die jeweilige Auflösung. Der eingebettete Vergrößerungsausschnitt zeigt die Nordsee und westliche Ostsee. Besonders am jeweilgen Küstenverlauf kann man gut die Unterschiede in der Gitterauflösung erkennen.

        Global+Nest

        Eine besondere Brücksichtigung findet der effiziente Einsatz von Rechenresourcen in Studien, die ausdrücklich mesoskalige (Wirbel-) Phänomene in bestimmten Regionen auflösen sollen. Weil eine globale Konfiguration in der entsprechend hohen Auflösung zu teuer wäre, wird stattdessen ein grobes, globales Host-Gitter um ein verfeinertes Nest-Gitter (Verfeinerungsfaktor ~4 bis 5) ergänzt. In NEMO wird dies mittels AGRIF (Adaptive Grid Refinement In Fortran; agrif.imag.fr) umgesetzt. Als Host-Gitter dienen globale ORCA05 oder ORCA025 Konfigurationen. Dabei können Nester auch ineinandergebettet werden, sodass Auflösungen von 1/60° oder feiner möglich sind.

        Einige der Nester lassen sich entsprechend ihrer Fokusregionen in AGRIF-Familien zusammenfassen (VIKING Familie, INALT Familie). Sie unterscheiden sich jedoch in den Details der Außengrenzen und/oder der horizontalen bzw. vertikalen Auflösung. Daneben gibt es noch eine Reihe weiterer Nester mit eigenen Fokusregionen.

         

        Regional

        Hochauflösende Ozean-Meereis-Modelle für geschlossene oder halb geschlossene Ozeanbecken (nicht genestet).

        • Baltic Sea

        Process-oriented

        Process-oriented models.

        • Shallow-Water

         

         

        HPC - Höchstleistungsrechnen

        Höchstleistungsrechner (häufig unter der Abkürzung HPC zusammengefasst, vom engl. "High Performance Computing") sind ein unerlässliches Werkzeug in der Klimawissenschaft allgemein und in der Ozeanmodellierung im Speziellen.

        Neben der Rechen- und Speicherinfrastruktur im Hause (vorrangig für nachgelagerte Analysen) nutzen wir für die Modellierung in der Ozeandynamik Rechenressourcen folgender Einrichtungen (externe Links):