HPC-System
Final Report Abstract
Das HPC-System mit 550 TByte Massenspeicher wurde im November 2015 durch die Abteilung Atmosphärenphysik und -chemie des Institutes für Umweltphysik an der Universität Bremen in Betrieb genommen. Der wissenschaftliche Schwerpunkt der Abteilung liegt in der Untersuchung atmosphärischer Prozesse, den zugrunde liegenden Wechselwirkungen natürlicher Phänomene, und der Erforschung des globalen Einflusses anthropogener Aktivitäten auf unsere Atmosphäre und das Klima. Entscheidende Bedeutung kommt der satellitengestützten Fernerkundung zu, die der Globalität vieler atmosphärischer Prozesse Rechnung trägt. Die Auswertung der Daten von Erdbeobachtungssatelliten ist Hauptaufgabe des HPC-Systems. Rund zwei Jahre später als geplant ist seit Oktober 2017 das Tropospheric Monitoring Instrument TROPOMI auf dem Satelliten Sentinel 5-P (S5P) im Orbit. S5P ist im Rahmen des „Copernicus“ Programms der Europäischen Kommission von der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) als weitere Mission einer langfristigen Serie von Erdbeobachtungssatelliten unter dem Namen Sentinel gestartet worden. S5P ist der erste Sentinel zur Atmosphärenbeobachtung und zeichnet sich durch eine hohe räumliche Auflösung von 3,5 km x 7 km bei hoher spektraler Auflösung aus. Daraus folgt eine Datenrate von etwa 105 TByte Messdaten pro Jahr, so dass der Massenspeicher des Gerätes bereits fast zur Hälfte belegt ist. Die Arbeit der Abteilung ist in Arbeitsgruppen (AGs) mit jeweils eigenen Schwerpunkten organisiert. Die Arbeiten und Ergebnisse der AGs, die unter Verwendung des beschafften HPC und Speichersystems durchgeführt wurden und werden, sind in den folgenden Abschnitten kurz zusammengefasst. Die AG „Strahlungstransportmodell und Retrieval“ hat auf dem HPC-System das Strahlungstransportmodell und Retrievalprogramm SCIATRAN weiterentwickelt. Insbesondere wurden die MPI (Message Passing Interface) Parallelisierung und die hybride Nutzung mit OpenMP (Open Multi-Processing) implementiert, so dass sehr aufwändige Rechnungen sowohl auf der beschafften Maschine als auch auf Großrechnern (insbesondere HLRN) effizient durchgeführt werden können. Schwerpunkt der wissenschaftlichen Arbeit der AG ist die rechenzeitaufwändige Auswertung von Randabtastungs- oder Limbmessungen. Die besonders aufwändige Berechnung von Wasserdampfprofilen aus SCIAMACHY Messungen wurde auf diesem HPC abgeschlossen. Ein Algorithmus zur Bestimmung von Aerosolgrößenverteilungen wurden entwickelt und angewendet. Die globale Datenreihe mir Ozonprofile aus den Limbmessungen des Satelliteninstrumentes SCIAMACHY (2002-2012) wurde verlängert, indem die Methoden für das Satelliteninstrument OMPS (seit 2012) angepasst und verwendet wurden. Die AG „Aerosol/Wolken/Boden-Eigenschaften“ hat die Verifikation der Auswertung von globalen Aerosolverteilungen mit repräsentativen globalen Modellierungen mit dem Strahlungstransportmodel SCIATRAN durchgeführt. Des weiteren wurden tabellierte Strahlungstransportmodellergebnisse erstellt, die die routinemäßige globale Auswertung von Aerorosolverteilungen und von pflanzlicher Fluoreszenz aus Satellitendaten ermöglichen. Die Erweiterung des polarisierten Strahlungstransports in SCIATRAN hin zur Berücksichtigung von Rotations-Raman-Streuung wurde auf dem System vorbereitet und dann mittels sehr rechenzeitintensiver Berechnungen durchgeführt. Die AG „PhytoOptics“ beschäftigt sich mit der Bestimmung von Chlorophyll-A Konzentration für die drei Haupttypen von Phytoplankton (Diatome, Kalkflagellaten und Cyanobakterien) aus multispektralen Satellitendaten. Hierzu wurden Auswertungen und Interpretationen mit Messungen von SCIAMACHY, Instrumenten der GOME-2 Serie und jetzt auch Sentinel-5P TROPOMI durchgeführt, um globale und regionale Phytoplanktonverteilungen zu untersuchen. Die AG „Treibhaus- und Kohlenstoffgase“ bestimmt Gesamtsäulen von Treibhausgasen (Kohlendioxid, Methan und Wasserdampf) und Kohlenmonoxid (ein Indikator für Luftqualität) aus Satellitenmessungen. Die HPC Maschine wird für Auswertungen von CH4, CO und H2O aus S5P TROPOMI Daten verwendet: Die hohe räumliche Auflösung der neuen Instrumentengeneration ermöglicht eine bessere Identifikation von (anthropogenen) Quellen und Senken. Die AG „Differentielle Optische Absorptions Spektroskopie (DOAS)“ zählt zu den weltweit führenden Gruppen in der Fernerkundung von atmosphärischen Spurengasen mittels DOAS im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich. Der performante Zugriff auf die enormen Datenmengen von S5P ermöglichte die Auswertung von Gesamtsäulen und troposphärischen Säulen von Spurengasen wie NO2 und BrO. Die hohe räumliche Auflösung ermöglicht beispielsweise die regionale Beobachtung der Luftqualität und der Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Luftverschmutzung. Weitere Spurengase wie OClO, HCHO, SO2, und IO aus S5P TROPOMI Daten sind in der Entwicklung. Die AG "UV-Sat" nutzt eine Erweiterung der DOAS Methode, das sogenannte Gewichtsfunktionen DOAS, um aus Satellitenmessungen im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich Gesamtsäulen und troposphärische Säulen von Ozon zu erstellen. Die langen Datenreihen der vorherigen Satelliten (beginnend in 1995), werden durch Auswertungen auf der Maschine fortgesetzt und liefern wichtige Daten zur Beobachtung der erwarteten Erholung der Ozonschicht.
Publications
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Development, Production, Evaluation of Aerosol Climate Data Records from European Satellite Observations (Aerosol_cci). Remote Sensing, 8 (5). p. 421. ISSN 2072-4292, 2016
Popp, Thomas, de Leeuw, Gerrit, Bingen, Christine, Brühl, Christoph, Capelle, Virginie, Chedin, Alain, Clarisse, Lieven, Dubovik, Oleg, Grainger, Roy, Griesfeller, Jan, Heckel, Andreas, Kinne, Stefan, Klüser, Lars, Kosmale, Miriam, Kolmonen, Pekka, Lelli, Luca, Litvinov, Pavel, Mei, Linlu, North, Peter, Pinnock, Simon, Povey, Adam, Robert, Charles, Schulz, Michael, Sogacheva, Larisa, Stebel, Kerstin, Stein Zweers, Deborah, Thomas, Gareth, Tilstra, Lieuwe, Vandenbussche, Sophie, Veefkind, Pepijn, Vountas, Marco, Xue, Yong
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