D-WP2 - OPERATIONS

Zielsetzung des Projekts

Das Ziel des Projekt OPERATIONS ist die Operationalisierung und damit weitgehende Automatisierung der dekadischen Vorhersage mit dem Modellsystem MPI-ESM auf dem Hochleistungsrechner des Deutschen Wetterdienstes (DWD). Während der ersten Phase von MiKlip wurden die Simulationen am Hochleistungsrechner des Deutschen Klima Rechenzentrums (DKRZ) durchgeführt. Ziel der zweiten Projektphase ist die dekadischen Vorhersagen bis zum Ende der zweiten Phase von MiKlip beim DWD zu rechnen.

Alle durch die anderen Module und Projekte erzielten Verbesserungen werden berücksichtigt und in Kooperation mit dem Max-Planck Institut für Meteorologie (MPI-M) in Hamburg die optimale Modell-Konfiguration für das operationelle System ausgewählt. Das Modellsystem MPI-ESM und die in der ersten Phase von MiKlip entwickelte Auswertungssoftware FREVA wird in Kooperation mit der Freien Universität Berlin (FUB) auf die Systeme des DWD portiert.

Dort wird nach dem Vorbild der operationellen Wettervorhersage eine Arbeitsumgebung geschaffen, die einen operationellen Betrieb des Modells ermöglicht. In dieser Arbeitsumgebung, die mit der Software „ecFlow“ realisiert wird,  können regelmäßig dekadische Vorhersagen erstellt werden und automatisiert ausgewertet werden. „Ecflow“ ist eine Scheduling-Software, die am Europäischen Zentrum für Mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) entwickelt wird.
 

Struktur des Projekts

Drei Gruppen (Deutscher Wetterdienst (DWD), Max-Planck Institut für Meteorologie (MPI-M) und Freie Universität Berlin (FUB)) kooperieren im Arbeitspaket D2-WP2.1. Der thematische Aspekt dieses Arbeitspakets ist der Transfer des globalen Vorhersagesystems und des Evaluierungssystems auf die Infrastruktur des DWD.

Aufgabenstellung des Projekts

Die Aufgabenstellung kann in zwei Bereiche eingeteilt werden. Die erste Hälfte der Projektlaufzeit (DS4) beinhaltet den Transfer des dekadischen Vorhersagesystems auf die Infrastruktur des DWDs. Der Arbeitsablauf und der Speicherplatzbedarf des späteren operationellen Vorhersagesystems werden mit einem „Spielzeug“-Setup des Vorhersagesystems vorbereitet. Während der zweiten Hälfte der Projektlaufzeit (DS5) wird das „Spielzeug“-Setup durch das vereinbarte operationelle gekoppelte Modell ersetzt und die Arbeitsabläufe daran anpasst. Mit diesem System sollen auch Anfangsbedingungen für das Globalmodell in Echtzeit produziert werden, so dass die operationelle Vorhersage jedes Jahr gestartet werden kann. Die Evaluationsroutine wird finalisiert und die Ergebnisse bereitgestellt.

Zusammenfassung der Ziele

  • Portierung des Modellsystems MPI-ESM und der Auswertungssoftware FREVA auf die Infrastruktur des Deutschen Wetterdiensts
  • Aufbau einer hocheffizienten, automatisierten Arbeitsumgebung nach Vorbild der operationellen Wettervorhersage mit der am EZMW entwickelten Scheduling-Software „ecFlow“
  • Zur Arbeitsumgebung  gehören die Erstellung von Anfangsbedingungen und Randbedingungen (Daten-Assimilation), der Modelllauf, die Archivierung und die Auswertung
  • Optimierung der Effizienz des Vorhersage-Ensembles
  • Erstellung von Visualisierungen und Präsentation der Modelldaten
  • Erforschung der Abhängigkeit der Vorhersage-Qualität (Skill) vom Startzeitpunkt der dekadischen Vorhersage
     

Alle diese Aufgaben erfordern eine enge Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsbereichen in Modul D.

Bisherige Fortschritte

Die Portierung und die Testläufe des Modells MPI-ESM auf den Großrechner des DWD wurden für beide, hohe und niedrige (HR und LR), Auflösungen erfolgreich abgeschlossen. Die Benchmark-Tests wurden für das hoch aufgelöste Modell wiederholt. Das Modell zeigt bei steigender Diskretisierung ein ähnliches Effizienzverhalten, wie das niedriger aufgelöste Modell. Der Work-flow für operationelle dekadische Vorhersagen wurde für das niedrig aufgelöste Modell entwickelt und während des Experiments preop-LR weiter verfeinert. Die Ergebnisse des preop-LR Experiments wurden mit den Projektpartnern geteilt und dienten als Basis für die dekadische Vorhersage 2018 bis 2027, wie sie auf der Miklip-Webseite veröffentlicht ist. Aktuell wird mit dem gleichen Workflow die nächste Generation der dekadischen Vorhersagen in hoher Auflösung (preop-HR Experiment) gerechnet. Das Ensemble soll zehn Mitglieder haben, die jeweils zur Hälfte vom MPI-M in Hamburg und dem DWD gerechnet werden

Die Vorhersagegüte auf der dekadischen Zeitskala wurde in den preop-Experimenten untersucht, in dem die Vorhersagbarkeit eines bestimmten Prozesses, nämlich der Pazifischen Dekadischen Oszillation (PDO), bestimmt wurde. Beide Experimente, preop-LR und preop-HR-CMIP5, zeigen eine hohe Korrelation der PDO mit Beobachtungen im ersten Jahr der Vorhersage und damit eine hohe Vorhersagegüte auf. Allerdings nimmt die Güte sehr schnell ab, wenn der betrachtete Vorhersagezeitraum ausgedehnt wird. Bereits bei einer Vorhersage über das dritte Jahr hinaus zeigt keines der Experimente Korrelationen, die statistisch signifikant unterschiedlich von Null sind. Dieses Resultat stimmt mit anderen Studien über Dekadische Vorhersagen überein.

Kontakt

Deutscher Wetterdienst - Klima- und Umweltberatung
Klaus Pankatz
Klaus.Pankatz(at)nospamdwd.de
+49 (0)69 8062-2909

Kristina Fröhlich
Kristina.Froehlich(at)nospamdwd.de
+49 (0)69 8062-2929