Im Rahmen des Projektes ICON-22 wird das Modell ICON (Icosahedral Nonhydrostatic Weather and Climate Model) in den operationellen Betrieb für die numerische Wettervorhersage der MeteoSchweiz eingeführt. Mit diesem Schritt wird das aktuell im Prognosebetrieb eingesetzte Modell COSMO abgelöst.
| Projektanfang | 01.10.2019 |
|---|---|
| Projektende | 31.12.2024 |
| Region | National |
| Status | Aktuelle Projekte |
Wetterabhängige Entscheidungen werden täglich in vielen Sektoren der Schweizer Wirtschaft getroffen, wie zum Beispiel in der Land- oder Energiewirtschaft. Wetterprognosen sind auch unabdingbar für den Betrieb von Frühwarnsystemen für Extremereignisse, um zum Beispiel vor Überschwemmungen, Sturm oder Hagel zu warnen. Die numerischen Wettervorhersagemodelle bilden in der MeteoSchweiz die Basis für Wetterprognosen und Warnungen. Die Modelle simulieren dabei den zukünftigen Zustand der Atmosphäre und liefern Wahrscheinlichkeitsvorhersagen für verschiedene Parameter wie z.B. Niederschlag und Temperatur. Diese werden dann zu Datenprodukten weiterverarbeitet, die zur Entscheidungsfindung dienen. Für die stetige Qualitätsverbesserung dieser wichtigen Funktionen, müssen die Vorhersagemodelle kontinuierlich weiterentwickelt werden.
Die MeteoSchweiz führt ihre Prognosen derzeit mit dem COSMO Vorhersagemodell in zwei verschiedenen Ensemble-Konfigurationen (COSMO-1E und COSMO-2E) aus. Parallel zum Betrieb wurde in den vergangenen Jahren unter der Führung des Deutschen Wetterdienstes (DWD) und des Max Planck Instituts für Meteorologie (MPI-M) das Nachfolgemodell von COSMO entwickelt. Mit der strategischen Entscheidung des COSMO Konsortiums, COSMO durch ICON zu ersetzen, wurde die Weiterentwicklung von COSMO beendet und die internationale Entwicklergemeinschaft konzentriert sich neu auf ICON. Die MeteoSchweiz strebt mit der Umstellung von COSMO auf ICON gleichzeitig auch eine Verbesserung in der Prognosequalität und der Rechnerinfrastruktur an, sowie Synergien mit laufenden Forschungsprojekten (GLORI-A, EXCLAIM).
Ziel des Projekts ist es, ICON in den operativen Prognosebetrieb der MeteoSchweiz einzuführen. Der wichtigste Aspekt ist, dass die neuen Modelle ICON-CH1-EPS und ICON-CH2-EPS die bestehenden Modelle COSMO-1E und COSMO-2E qualitativ übertreffen (oder zumindest egalisieren), sodass die Verifikation (also der Vergleich von Vorhersagen mit Messdaten) generell bessere Ergebnisse ergibt. Hierfür muss die existierende Modellversion von ICON auf die Bedürfnisse der Schweiz angepasst werden.
Parallel zur Modelleinführung wird auch eine Erneuerung der Rechnerinfrastruktur am Nationalen Hochleistungsrechenzentrum der ETH (CSCS) durchgeführt. Diese erlaubt ICON auf der neuen High-Performance Computing Plattform ALPS am CSCS in sogenannten virtuellen Clusters mit einer dedizierten Softwareumgebung zu betreiben.
Ein weiterer wichtiger Schritt ist die Anpassung der Datenflüsse für die nachgelagerten Applikationen, die zur Herstellung der unterschiedlichsten Datenprodukte dienen. Das Post-Processing wird dafür an ICON Testläufen optimiert, die im Rahmen von ICON-22 erstellt werden.
Wie COSMO ist auch ICON ein numerisches Modell, das die für die Wettervorhersage relevanten Prozesse beschreibt und den zukünftigen Zustand der Atmosphäre berechnet. Es gibt aber einige wichtige Unterschiede zwischen den Modellen, die im Folgenden kurz beleuchtet werden:
Während COSMO ein reguläres latitude-longitudinales (geographisches) Gitter nutzt, ist ICON auf der Basis eines Dreiecksgitters (Icosaheder) konzipiert. Dies bringt den Vorteil, dass sich die Gitterelemente nicht mehr in ihrer effektiven Grösse unterscheiden und so eine Gitterverzerrung durch das Zusammenlaufen der Meridiane in Richtung der Erdpole vermieden wird. Mit ICON wird es ausserdem möglich, die komplexe und detaillierte Topographie der Schweiz mit den Alpen besser nachzubilden. Die neue Formulierung der Strömungsgleichungen erlaubt es, steilere Hangneigungen zu verwenden, als in COSMO modelliert werden konnten. Durch die detailgetreuere Modellierung der Oberfläche werden die Modellvorhersagen zusätzlich verbessert. Das in ICON neu mögliche Nesting (also die Möglichkeit, in der Modellrechnung einzelne Gebiete mit höherer räumlicher Auflösung zu rechnen), bietet den Vorteil die Rechnerleistung gezielt zu nutzen und das Modell kostengünstiger zu betreiben. Die MeteoSchweiz ist ausserdem seit 2016 weltweit der erste Wetterdienst, der ein operatives Wettermodell (COSMO) auf einer Rechnerstruktur betrieben hat, die auf Grafikkarten (GPU) basiert. Aufgrund der tieferen Hardware- und Energiekosten wird auch ICON im Rahmen von ICON-22 für den Betrieb auf GPU’s optimiert.
Das ICON Model Framework bringt die nächste Generation der Wettermodellierung in die Schweiz und ist die Grundlage von Forschungsprojekten, an denen die MeteoSchweiz im Rahmen der internationalen ICON Entwicklergemeinschaft massgeblich beteiligt ist. Dies sind vor allem Weiterentwicklungen der Vorhersageleistung, die die Verbesserung der Wetter- und Auswirkungsvorhersage und der Nutzerfreundlichkeit der ausgegebenen Daten zum Ziel haben.
Das EXCLAIM-Projekt entwickelt im Kontext des ETH Center for Climate Systems Modelling (C2SM) eine Exascale-Computing- und Datenplattform für die Wetter- und Klimamodellierung auf der Grundlage des ICON-Modells, die in der Lage ist, das regionale bis globale Atmosphäre-Land-Ozean-System mit deutlich höherer räumlicher Auflösung zu modellieren als bisher möglich.
Das Projekt GLORI-A (GLObal to Regional ICON Alpine Digital Twin) schafft einen konfigurierbaren Digitalen Zwilling mit hoher Auflösung, der auf der Vorhersagefähigkeit von ICON basiert. GLORI-A wird es Nutzern und Entscheidungsträgern ermöglichen, massgeschneiderte Vorhersageprodukte für Anwendungen z.B. zur Überschwemmungsvorhersage, Luftqualität oder Energieproduktion abzurufen. Diese «on demand» Funktionalität verbindet Wetter- und Auswirkungsvorhersage und ist von den Nutzern für ihre Bedürfnisse konfigurierbar.
Die Entwicklung des Modells ICON reicht bereits etwa 20 Jahre zurück und wurde massgeblich vom DWD und MPI-M vorangetrieben. Die ICON Entwicklergemeinschaft, der auch die MeteoSchweiz angehört, ist seit den Anfängen stetig gewachsen und heute deutlich grösser als das COSMO Konsortium, da sie sich sowohl aus nationalen Wetterdiensten als auch Forschungseinrichtungen zusammensetzt. Diese erfolgreiche internationale Kooperation bietet die Voraussetzung für den Betrieb und die Weiterentwicklung des hochkomplexen ICON Model Frameworks. Sie ermöglicht Wettervorhersagen, die auf dem neuesten Stand von Wissenschaft und Technik basieren, und so der Schweizer Gesellschaft als verlässliche Entscheidungsgrundlage dienen.