Entwicklung und Implementierung von Parallelisierungsverfahren für die mikroskaligen Klimamodelle ENVI-met und MISKAM

Die numerische Simulation kleinskaliger Wechselwirkungen zwischen der Umwelt und der bodennahen Atmosphäre ist ein Teilbereich der Meteorologie bzw. Geoinformatik der in der Stadtplanung und der Architektur zunehmend an Bedeutung gewinnt. Insbesondere in städtischen Ballungsräumen bildet sich durch die Vielzahl von unterschiedlichsten geometrischen Formen (Gebäude, Pflanzen) sowie das Nebeneinander von natürlichen und künstlichen Materialien ein komplexes Mikrosystem mit hoher räumlicher und zeitlicher Variabilität aus. Typische Fragestellungen sind hier beispielsweise die thermischen Wechselwirkungen zwischen begrünten und unbegrünten Stadtbereichen, die Ausbreitungssimulation von Luftschadstoffen oder die Gebäudeenergetik.

Die numerische Simulation ist die einzige Möglichkeit, ein solch dynamisches System zu erfassen und seine Reaktion auf innere (z.B. Neubauten) oder äußere (z.B. sommerliche Hitzeperioden) Veränderungen vorherzusagen.

Während numerische Klimasimulationen oftmals nur auf teuren Großrechnern möglich sind, zu denen die meisten der potentiellen Nutzer keinen Zugang haben, ermöglichen die an der Uni Mainz beheimateten Modelle ENVI-met (www.envi-met.com) und MISKAM die Analyse solcher komplexen Systeme auch auf handelsüblichen PCs.

Über Jahrzehnte war die Entwicklung im PC-CPU Segment im Wesentlichen auf die Leistungssteigerung einzelner CPU-Kerne fokussiert, hier profitierten die Modelle direkt von jedem Entwicklungszyklus. In den letzten Jahren verlangsamte sich der Geschwindigkeitszuwachs der Einzelkerne immer weiter und neue Leistungsfähigkeit wird durch parallele Mehrkernprozessoren erreicht. Hinzu kommen programmierbare Graphikkartenprozessoren (GPUs), die an sich zwar einfach strukturiert sind, dafür aber in großer Zahl verfügbar sind. Derzeit kann weder ENVI-met noch MISKAM von diesen zusätzlichen Prozessoren profitieren.

Ziel des Projekt es ist, effiziente Parallelisierungsverfahren für Module der Modelle ENVI-met und MISKAM zu entwickeln, damit diese von zukünftigen CPU/ GPU-Entwicklungen profitieren.

Insbesondere bei der Berechnung des Strömungsfeldes durch Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen und bei der Bestimmung von geometrischen Relationen (Sicht-Faktoren, Reflektionen) können hier große Geschwindigkeitszuwächse erreicht werden.