Parallel coupling framework and advanced time integration methods for detailed cloud processes in atmospheric models

• Applicant: Professor Dr. Wolfgang E. Nagel
• Subject Area: Software Engineering and Programming Languages
• Term: from 2007 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 45994215

Wolkenprozesse stellen eine der größten Unsicherheiten bei aktuellen Wettervorhersage-, Chemie- Transport- sowie Klimamodellen dar. In den letzten Jahren wurden Wolken und Aerosole in dreidimensionalen Modellen nur für Prozessstudien detailliert behandelt, durch den hohen Rechenaufwand jedoch nicht für operationelle Anwendungen. Das Ziel dieses Projekts ist es, diese Barriere zu überwinden und solche komplexen Modellsysteme praktisch anwendbar zu machen. Dazu werden ein Framework mit dynamischen Datenstrukturen und geeigneter Parallelisierung sowie moderne numerische Verfahren zur Implementierung von Wolkenprozessen in atmosphärischen Modellsystemen entwickelt. Die verschiedenen Zeitskalen, die Heterogenität in Raum und Zeit sowie die Wechselwirkungen der betrachteten Prozesse werden in effizienter Weise behandelt. Um die Größe der Zeitschritte an die Dynamik in unterschiedlichen Teilgebieten und die Zeitskala der jeweiligen Prozesse anzupassen, werden Multirate-Integrationsverfahren implementiert. Das in diesem Projekt entwickelte Framework FD4 (Four-Dimensional Distributed Dynamic Data Structures) dient der exiblen Kopplung von Wolkenmodellen mit bestehenden atmosphärischen Modellen und ist generell zur Mehrphasenmodellierung verwendbar. Der Einsatz von FD4 als Kopplungs-Framework wird eine effizientere Parallelisierung and reduzierte Speicheranforderungen im Vergleich zu naiven Ansätzen ermöglichen. Beispielhaft werden die entwickelten Bibliotheken und Integrationsverfahren genutzt, um das Modellsystem COSMO-MUSCAT (früher LM-MUSCAT) mit einem detaillierten spektralen Mikrophysikmodell zu erweitern und dessen praktische Anwendung zu ermöglichen.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Person: Dr. Ralf Wolke