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Wie der Klimawandel die Rechner fordert

Von: René Benden
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Gewitter über Ostbelgien: Extreme Wetterereignisse haben in den vergangenen Jahren zugenommen. Moderne Prognosen können Stadtplanern dabei helfen, sich auf den Klimawandel einzustellen. Foto: Andy Holz
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Thomas Ludwig wird am Donnerstag, 25. Februar, um 19 Uhr zu Gast in Aachen sein.

Aachen. Fast jede Stadt in der Region ist in den vergangenen Jahren Opfer von extremen Wetterereignissen geworden. Überschwemmungen und Sturmschäden sind die häufigsten Folgen. Klimaforscher gehen davon aus, dass diese Wetterphänomene zunehmen.

Auf was also müssen sich Stadtplaner, Bauingenieure und Architekten einstellen, wenn sie den Klimawandel in ihren Planungen berücksichtigen? Antworten darauf könnte vielleicht das Deutsche Klimarechenzentrum (DKRZ) in Hamburg liefern.

Dort simulieren Hochleistungscomputer, wie sich das Klima global verändert. Thomas Ludwig, Geschäftsführer des DKRZ, erklärt im Interview, wie Klimamodelle am Computer entwickelt werden und wie Städte davon profitieren könnten.

Was entgegnen die denen, die bis heute sagen, dass es keinen Klimawandel gebe?

Ludwig: Zunächst muss ich mal sagen, dass ich kein Klimaforscher bin, sondern Informatiker, der dafür Sorge trägt, dass computergestützte Klimamodelle entstehen können. Insofern kann ich das nur aus Sicht des Rechenzentrumsleiters und Informatikprofessors beantworten: Es gibt weltweit rund zwei Dutzend Gruppen, die globale Klimamodelle entwickeln.

Wenn man diese Modelle systematisch miteinander vergleicht, stellt man fest, dass alle ähnliche Entwicklungstendenzen für den globalen Temperaturanstieg oder die Niederschlagsentwicklung prognostizieren. Allerdings weiß man auf Basis von weltweiten Messungen, dass sich das Klima seit Beginn der Industrialisierung im Mittel um etwa ein Grad erwärmt hat.

Am DKRZ werden solche Modelle seit den 80er Jahren entwickelt. Wie zutreffend waren ihre Berechnungen bis heute?

Ludwig: Wir können bislang nur sagen, dass unsere Nutzer, das sind Forscher aus ganz Deutschland, zu ähnlichen Ergebnissen kommen wie andere auch. Wie präzise diese Modelle und vor allem die berechneten Szenarien für die Zukunft sind, wissen wir definitiv erst im Jahr 2050 oder 2100, aber die bereits erfolgte globale Erwärmung von etwa einem Grad in den letzten 150 Jahren können heutige Modelle sehr gut nachvollziehen.

Die Modelle haben also einen wesentlich größeren Horizont als die nächsten zehn Jahre?

Ludwig: Genau. Klima ist ja ein rein statistisches Konstrukt. Man bezeichnet als Klima eine Mittelung über beispielsweise 30 Jahre Wettergeschehen. Interessant sind Entwicklungen wie der Temperaturanstieg über 100 Jahre hinweg. Bei kürzeren Zeiträumen kann man Effekte beobachten, die mit dem generellen Trend nichts zu tun haben.

Ein Beispiel: Gibt es eine Wirtschaftskrise, reduziert sich der Ausstoß für CO2. Das bedeutet, wir haben es bei kurzzeitigen Beobachtungen mit Schwankungen zu tun, die bei einer längerfristigen Beobachtung nicht verdecken können, dass der CO2-Ausstoß wächst und damit auch die Temperaturen steigen.

Für Sie als Informatiker ist entscheidend, dass die Rechenleistung der Computer immer größer wird. Welche Auswirkung hat das auf die Präzision Ihrer Simulationen?

Ludwig: Bis 2005 gab es die Entwicklung, dass es den Rechnerherstellern gelungen ist, die Prozessoren immer kleiner und schneller zu machen. Diese Entwicklung ist vorbei, weil die Geschwindigkeit der Prozessoren jetzt nur noch erhöht werden kann, wenn man erheblich mehr Energie bereitstellt. Da man den Stromverbrauch aber nicht unendlich steigern will, entwickelt man die Computer durch Miniaturisierung der Prozessoren weiter.

Das führt dazu, dass man heute mehrere Prozessoren auf einem Chip hat. Das erhöht zwar die Gesamtleistung, um sie aber auch nutzbar zu machen, müssen wir unsere Rechenaufgaben immer feiner zerlegen und an die Prozessoren aufteilen. Das stößt irgendwann an Grenzen.

Heißt das, Ihre Berechnungen sind inzwischen so kleinteilig, dass sie achtgeben müssen, noch sinnvolle Ergebnisse zu erzielen?

Ludwig: Ja, das Stimmt. Ein Beispiel aus der Praxis: Wir legen zur Berechnung von Klimamodellen ein Gitternetz über die Weltkugel. Früher gab es grobe Gitter mit vielleicht 10 000 oder 100 000 Punkten für die Niederschlag, Temperatur, Sonneneinstrahlung und viele andere Variablen berechnet wurden. Aktuelle feine Gitter haben beispielsweise 30 Millionen Punkte. Würde man dieses auf dem weltgrößten Rechner mit seinen über drei Millionen Prozessoren anwenden, hätte jeder Prozessor nur noch zehn Gitterpunkte zu berechnen. Das ist, als würden sie ihre 20-seitige Steuererklärung von 20 Sachbearbeitern erledigen lassen: der Aufwand zur Koordination wächst. Die erhoffte 20-fache Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit würde sich niemals einstellen.

Bedeutet das, die neuen Klimamodelle werden nicht mehr besser?

Ludwig: Nein, aber unsere Arbeitsweise ändert sich. Wir müssen heute sehr viel Arbeit in die Aufteilung der Prozesse stecken. Aber die heutigen Rechner erlauben uns darüber hinaus, erheblich präzisere Modelle zu entwickeln. Beispiel Wolkenbildung: Wolken sind so wichtig, weil der Grad der Bewölkung entscheidet, wie viel Energie auf die Erde ein- und von ihr wieder ausstrahlt. Daraus ergibt sich, wie stark sich die Erde erwärmt.

Daran kann man dann eine Temperaturentwicklung erkennen. Früher hat man bei Wolken mit Schätzwerten gearbeitet, weil die Modelle zu grob waren, als dass man einzelne Wolken hätte darstellen können. Dank der heutigen Rechenleistung und dem jetzigen Verständnis der physikalisch-chemischen Vorgänge sind wir dazu in der Lage, ein Wolken auflösendes Modell für die gesamte Bundesrepublik zu berechnen.

Kann man auch regionale oder gar lokale Entwicklungen simulieren?

Ludwig: Man muss dann zunächst unterscheiden, was ist Wetter und was ist Klima? Wenn wir Wolken für ein begrenztes lokales Gebiet simulieren, dann ist das meistens interessant, weil wir uns für ein konkretes Niederschlagsereignis interessieren. So etwas können wir machen. Weil wir dann aber von sehr kurzen Simulationszeiträumen ausgehen, ist das mehr die Ausdehnung einer Wettervorhersage als ein Klimamodell.

Interessieren sich Städte oder Unternehmen für diesen Aspekt ihrer Arbeit? Für die Stadtplanung ist es ja schon interessant, wo man zukünftig besonders mit Starkwetterphänomenen rechnen muss.

Ludwig: Vor allem aus der Wirtschaft gibt es da verständlicherweise großes Interesse. Wenn ich beispielsweise im Schwarzwald einen Skilift bauen will, dann interessiert mich natürlich, wie sich die Schneehöhen dort entwickeln. Allerdings ist es immer noch Gegenstand der Forschung, wie sehr man ein Klimamodell, das auf einer globalen Kalkulation fußt, verfeinern muss, damit valide Aussagen über regionale Räume gemacht werden können.

Gibt es denn auch schon Städte, die konkret ihre Planung an Klimamodellen ausrichten?

Ludwig: Es gibt Städte, die sich mit diesen Fragen beschäftigen. Beispiel Hamburg: Die Schutzanlagen für den Hafen sind ausgelegt auf Wasserstände, die man in den kommenden Jahrzehnten erwartet. Üblicher ist heute, dass sich Städte mit Fragen der Entlüftung beschäftigen. Wie beispielsweise beeinflussen geplante höhere Gebäude den Wind in der Stadt, damit man noch gewährleisten kann, dass Schadstoffe aus dem Stadtzentrum transportiert werden können. Solche Simulationen laufen auch auf Rechnern wie unseren.

Eine gute Entlüftungssituation erspart also die Einrichtung einer Umweltzone?

Ludwig: Das kann ich als Informatiker nicht beurteilen. Jedenfalls ist dies für das Stadtklima eine wichtige Komponente.

So etwas dürfte Aachen interessieren, weil es hier seit ein paar Tagen eine ziemlich ungeliebte Umweltzone gibt. Gibt es ihrerseits irgendwelche Kooperationen mit Aachen?

Ludwig: Stadtplanung und Modellierung des Stadtklimas für Aachen auf einem Hochleistungsrechner? So etwas wäre natürlich theoretisch möglich. Aber dafür braucht man eine Kombination von Forschergruppen. Auf der einen Seite jemanden, der ein Computerprogramm entwickelt, das ein Klimamodell für Aachen rechnen kann. Das muss aber mit Daten gefüttert werden, die erst durch Messreihen einer anderen Forschergruppe erhoben werden müssen.

Der Prozess ist sehr aufwendig. Bislang gibt es eine solche Kooperation meines Wissens nicht. Selbstverständlich verfügt Aachen aber über Experten, die sich mit solchen Fragen befassen und die beispielsweise auf den Hochleistungsrechnern der RWTH oder des Forschungszentrums Jülich rechnen können.

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