CliSAP successfully finished in 2018. Climate research continues in the Cluster of Excellence "CLICCS".

Wie sich Schwebeteilchen am besten berechnen lassen

06.08.2013

Neues vom KlimaCampus: Einmal im Monat berichten Klimaforscher im Hamburger Abendblatt über aktuelle Erkenntnisse. Der Mathematiker Oliver Kunst entwickelt Methoden, um die Rechenzeit für Klimasimulationen zu verkürzen.

Für Wetter- und Klimaprognosen spielen Computersimulationen eine zentrale Rolle. Sie sind meist sehr rechenaufwändig, weil sie die komplexe Realität abbilden. Je feinere Details die Simulationen liefern sollen, desto mehr müssen Computer leisten. Mit meinen Kollegen vom KlimaCampus entwickle ich Methoden, die solche Berechnungen effizienter machen – zum Beispiel für die Ausbreitung von sogenannten Aerosolen.

Diese Schwebeteilchen werden unter anderem bei Vulkanausbrüchen freigesetzt, oder sie kommen als Schadstoffe aus Industrie und Verkehr in der Luft vor. Sie fördern die Wolkenbildung und beeinflussen dadurch Wetter und Klima. Uns interessiert deshalb, wohin der Wind die Aerosole transportiert. Um dies herauszufinden, verwenden wir als Modell ein dreidimensionales Rechengitter, das sich aus einzelnen Zellen zusammensetzt.

Je kleiner diese Zellen, umso genauer können wir die Konzentration der Aerosole an einem bestimmten Ort vorhersagen. Wenn wir das Modell also höher auflösen, müssen wir mehr kleine Zellen betrachten: Halbieren wir zum Beispiel alle Kantenlängen von Würfel-Zellen, muss der Computer mindestens acht Mal länger rechnen. Damit steigen allerdings auch Stromverbrauch und Kosten. Deshalb ist es sinnvoll, das Gitter nur dort zu verfeinern, wo tatsächlich Aerosole vorkommen. Bei einem Vulkanausbruch zum Beispiel können wir die Quelle der Partikel gut lokalisieren.

Geschickte Datensortierung verkürzt die Rechenzeit
Für die Ausbreitung der Aerosole berechnen wir zuerst die Konzentration innerhalb der einzelnen Zellen – danach den Austausch der Informationen mit den angrenzenden Zellen. Mein Ziel ist es, dabei Zeit und Kosten zu sparen. Das Problem: Ein Computer kann nur mit Daten im sogenannten Cache-Speicher arbeiten, der sich am Prozessor befindet – also direkt dort, wo auch gerechnet wird. Seine Speicherkapazität ist jedoch relativ klein. Wenn der Computer größere Datenmengen verarbeiten soll, muss er deshalb auf Arbeitsspeicher oder Festplatte zugreifen, um die Daten in den Cache zu laden. Das kostet Zeit, da der Computer währenddessen nicht rechnen kann.

Deshalb nutzen wir einen Trick: Statt einzelner, verstreuter Daten lädt der Computer Datenblöcke in den Cache. Unser Ziel ist es, möglichst viele relevante Daten in einem Block zu sammeln. Dabei versuchen wir, die Nachbarschaft der Gitterzellen durch geschickte Sortierung auf dem Speicher abzubilden. Der Computer lädt die vorsortierten Daten in den Cache – und muss somit seltener den Umweg über Arbeitsspeicher und Festplatte nehmen.

Die Aerosolkonzentration lässt sich dabei mit einem Fliesenmosaik vergleichen, der Computer mit einem Fliesenleger. Dort, wo dieser kleine Mosaiksteine legt, erscheinen feine Details. Nimmt er große Steine, wird das Bild gröber, aber auch schneller fertig. Mit meiner Methode sortiere ich die Steine für den Fliesenleger vor. Er kann das Mosaik nämlich viel schneller zusammensetzen, wenn er die Fliesen jeweils zusammen mit den angrenzenden Nachbarsteinen erhält. So beschleunigt das Vorsortieren die Simulationen deutlich ohne die eigentliche Rechenmethode zu verändern.

..................

Oliver Kunst arbeitet in der Gruppe „Numerische Methoden in den Geowissenschaften“ am Institut für Meereskunde der Universität Hamburg.

Neues vom KlimaCampus: Beiträge aus 2013 auf einen Blick

Die Gastbeiträge im Hamburger Abendblatt seit 2010 gibt es auch als KlimaCampus-Lesebücher (Teil 1-3) im Download-Bereich.