Nachhaltigkeit Virtueller Forschungsumgebungen TextGrid Workshop, Göttingen, 13.7.2011 Erfahrungen aus den Klimawissenschaften Michael Lautenschlager

Nachhaltigkeit Virtueller ForschungsumgebungenTextGrid Workshop, Göttingen, 13.7.2011

Erfahrungen aus den Klimawissenschaften

Michael Lautenschlager

© DKRZ

• Klimaforschung

• Aktuelle Forschungsinfrastrukturen

• Entwicklung und Motivation

• Zusammenfassung

Übersicht

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Michael LautenschlagerTextGrid WS, Göttingen

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Klimaforschung

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Klimaforschung

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Diagram of the Hamburg IPCC-Climate Model ECHAM5/MPI-OM

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Forcing of Climate Projections for IPCC AR4

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Comparison of the present-day sea ice coverIn March and September(oben) with the climate projection for the scenario A1B (unten) in 2100.Additionally the snow over land can be obtained.

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Halbierung der räumlichen Auflösung führt zu Mehraufwand von Faktor 16 (= 2**4).

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Klimaforschung

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AR 1AR 2

AR 3AR 4

AR 5AR 6

19901995

20012007

20132019

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

Klimamodelldaten zu den Statusberichten des IPCC (International Panel on Climate Change)

1 TB

60 TB

10 PB

ECHAM6/MPI-OM(Deutscher Beitrag zum IPCC-AR5)

Rechenaufwand:20,000,000 CPU-h

Klimamodelldaten: 0,6 PB

Personalaufwand: 10 PJ

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Forschungsdateninfrastrukturen

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DKRZ - höchste Rechenleistung, ausgereiftes Management größter Datenmengen und kompetenter Service garantieren erstklassige Klimaforschung.

Das DKRZ wurde am 11. November 1987 in Hamburg gegründet und nahm zum 1. Januar 1988 seinen Betrieb auf.

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Das Archivsystem auf einen Blick:HPSS - High Performance Storage Systemmehr als 67 000 Stellplätze für Magnetbandcassetten88 BandlaufwerkeGesamtkapazität mehr als 100 PetaByte500 TeraByte Disk Cache

Blizzard auf einen Blick:IBM Power6 mit 264 Rechenknoten16 Dual Core Prozessoren pro Knotenmehr als 20 TeraByte Hauptspeicher7 PetaByte GPFS-Plattenspeichersystem

Platz 72 auf TOP500 (Juni 2011)

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IPCC-AR5 Datenföderation

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Collaborative Climate Community Data and Processing Grid – C3Grid”BMBF Förderung: I) 01.09.2005 – 28.02.2009II) 01.10.2010 – 30.09.2013

C3Grid

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• DKRZ als Service-Einrichtung der deutschen Klimaforschung– 1987 wurde das Deutsche Klimarechenzentrum als eine zentrale

Service-Einrichtung gegründet, um den stetig wachsenden Bedarf an Computerressourcen für die Klimaforschung abzudecken. Das DKRZ ging aus dem gemeinsamen Rechenzentrum des Max-Planck-Institutes für Meteorologie (MPI-M) und des Meteorologischen Institutes der Universität Hamburg hervor.

– Größere Investitionen am DKRZ wurden durch das Bundesministerium für Forschung und Bildung (BMBF) finanziert. Für die Betriebskosten kamen anfangs das BMBF gemeinsam mit den vier Gesellschaftern, die Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., die Freie und Hansestadt Hamburg vertreten durch die Universität Hamburg, das GKSS-Forschungszentrum Geesthacht und das Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung auf.

Wie kam es zur Gründung und dem stabilen Betrieb über 25 Jahre?

Entwicklung und Motivation

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• Motivation für Gründung des DKRZ in 1987:– Beobachtungen wie die Mauna Loa Kurve (CO2) gaben ersten Hinweise auf

mögliche Klimaänderungen (Treibhaus-Effekt).– Als Weiterentwicklung der Wettervorhersage standen erste numerischen Modelle

für die atmosphärische Komponente des Klimasystems zur Verfügung.– Erste Berechnungen des Treibhauseffektes gaben alarmierende Ergebnisse. Es

wurde ein Anstieg der globalen Temperatur prognostiziert in der gleichen Größenordnung lag wie die Temperaturabnahme während der letzten Eiszeit.

– Das Thema Klimaänderung wurde national und international kontrovers diskutiert, konnte aber nicht entschieden werden. Klimamodellierung wurde als Methode und das Klimamodell als Instrument zur Bearbeitung der Frage identifiziert.

– Diese offene Frage – Klimaänderung ja oder nein – weckte zum einen das Forschungsinteresse (Klimasystem als komplexes, nichtlineares dynamisches System) und Interesse verbunden mit Förderwillen bei der Politik. Die Antwort auf die Frage nach Klimaänderung wurde als gesellschaftspolitisch relevant begriffen.

– Erforderliche Ressourcen waren zu groß, um von einer Forschungseinrichtung allein getragen zu werden. Konsequent erfolgte der Zusammenschluss zum DKRZ unter Beteiligung des BMBF. Das DKRZ ist vergleichbar mit anderen Großgeräten der Forschung (Flugzeug, Observatorium, …)


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• Entwicklung der Infrastruktur in den letzten 25 Jahren– Ausgehend von zentralen Services im Bereich Höchstleistungsrechnen gewannen

Daten-Services in der Klimaforschung zunehmend an Bedeutung. – Das spiegelt sich auch in der Wandlung der Namensgebung der entsprechenden

DKRZ-Abteilung wider: Modellbetreuung (1991-1999) – Modelle und Daten (2000-2009 / MPI-M) – Datenmanagement (ab 2010).

– Weiterer Eckpunkt in Richtung stärker nachgefragter Datenservices war die Anerkennung der Klimadatenbank am DKRZ als ICSU World Data Center Climate (WDCC) im Jahre 2003.

– Parallel zu den Anforderungen der Klimaforscher nach einfachen und effektiven Datenzugriffen („One-stop-shop“) entwickelte sich das Internet und das World Wide Web (WWW) als Basisinfrastruktur der Klimaforschung.

– Es eröffneten sich neue Möglichkeiten der internationalen Kooperation und Grenzen zwischen Rechnern wurden durchlässiger. Durchlässigkeit und Transparenz wurde auch in der Datensuche und im Datenzugriff erwartet.

– Datennetzwerke entstanden und die Grid-Technologie wurde entwickelt im Rahmen des D-Grid Forschungsschwerpunkts des BMBF. Im Bereich der Klimaforschung gab es ab 2005 das C3Grid-Projekt.

– Förderung der Grid-Technologie durch BMBF auch mit der Motivation des Technologie-Transfers von der Forschung in die Industrie.


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– Neue Anforderungen aus der Forschung an zentrale Services werden mit der Nutzergemeinschaft abgestimmt und im Dialog implementiert und weiter entwickelt. Das DKRZ hat dafür den Wissenschaftlichen Lenkungsausschuss (WLA) als Gremium. Ähnliche Beiräte gibt es bei auch in großen Infrastrukturprojekten.

• Entwicklung der Klimaforschung in den letzten 25 Jahren– Die Klimaforschung behielt über die Jahre ihre Präsens in der politischen

Diskussion wenn auch mit sich verändernden Schwerpunkten. – Ging es in den ersten Jahren um das Klimaänderungssignal und den Einfluss des

Menschen, wandelte sich der Fokus in Richtung Vermeidung von Klimaänderungen und Anpassung an Klimaänderungen.

– Die Politik versuchte durch entsprechende Forschungsschwerpunkte Antworten auf diese Fragen zu erhalten und Klimaforschung als Förderinstrument nicht nur der Wissenschaft einzusetzen. Im Jahre 2004 wurde das BMBF-Rahmenprogramm aufgelegt „FORSCHUNG FÜR DIE NACHHALTIGKEIT“ mit Klimaschutz als duales Nachhaltigkeitskonzept:

• „Strategien, Technologien und Maßnahmen zur Emissionsminderung in Wirtschaft und Gesellschaft“ („mitigation“) und

• „Anpassung an Klimatrends und Extremwetter – Strategien, Innovationen, Märkte“ mit FuE-Ansätzen zur Verminderung der volkswirtschaftlichen Anfälligkeit gegenüber Klima und Wetter („adaptation“).


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• Entwicklung der Klimaforschung in den letzten 25 Jahren– Die Schritte der Entwicklung lassen sich gut an der Abfolge der Statusberichte des

IPCC (International Panel on Climate Change, UNEP und WMO) festmachen:• FAR (1990): Bestimmenden Faktoren des globalen Klimas und Güte der Klimavorhersagen• SAR (1995): Rolle des Menschen in der Änderung des globalen Klimas und Größenordnung

der Klimaänderung • TAR (2001): Beobachtungen zeigen globale Erwärmung und Frage nach Auswirkung der

Erwärmung auf Gletscher und Meeresspiegelanstieg• AR4 (2007): Natürlicher und Menschen gemachter Antrieb der Klimaänderung, Verstehen

und Bewerten der Klimaänderung und Projektionen zukünftiger Klimaänderungen (Kyoto-Protokoll)

• AR5 (2013/2014): Regionaler Response der Klimaänderung und dekadische Vorhersagen– Heute: Klimamodelle als Instrument der Klimaforschung anerkannt und

Klimamodelldaten insbesondere Daten aus Regionalmodellen werden zur Entwicklung von Anpassungsmaßnahmen und für politische Entscheidungen verwendet

– Interdisziplinäre Verwendung von Ergebnissen aus Klimamodellen setzt hohe Anforderungen an Datenqualität, Datendokumentation und Verfügbarkeit (virtuelle Forschungsumgebungen)


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• Politik: Klimaforschung wurde in den 1980igern als Politik relevantes Thema identifiziert und hat diese Bedeutung im Wesentlichen bis heute behalten.

• Institution: Die erforderlichen Ressourcen für Klimaforschung und Klimamodellierung überfordern einzelne wissenschaftliche Einrichtungen. Man ist wissenschaftlich nur erfolgreich durch Kooperation und Bündelung der Kräfte.

• Individuum: Der einzelne Wissenschaftler identifiziert Vorteile für seine tägliche Arbeit in der Verwendung der angebotenen Rechenressourcen und Dateninfrastrukturen.

• Nutzung: Dienste für virtuelle Forschungsumgebungen werden nachgefragt und genutzt. Weiterentwicklung geschieht in enger Kooperation mit wissenschaftlichen Anwendungen. Nutzung und Entwicklung von Diensten ist ein iterativer Prozess.

• Finanzierung: Investitionen in Rechenleistung und Dateninfrastrukturen werden durch Projektförderung (EU, BMBF und DFG) unterstützt, der Betrieb als Wissenschaftsservice wird durch Wissenschaftsorganisationen (MPG, HGF, Leibnitz und Universitäten) getragen.

• Kontrolle: Vor neuen Investitionen wie z.B. ein neuer Hochleistungsrechner am DKRZ findet regelmäßig eine Begutachtung statt und Beschaffung und Implementierung geschieht unter Beteiligung der Klimaforschungs-Community (Wissenschaftlicher Lenkungsausschuss am DKRZ).

Zusammenfassung

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