WarmWorld: Entwicklung eines neuen, extrem hochaufgelösten, globalen Klimamodells, welches erstmals das Wetter in einem sich erwärmenden Klima realistisch simulieren kann

Die globalen Klimamodelle haben sich in den letzten drei Jahrzehnten stetig verbessert. Ihre Ergebnisse bilden die Entwicklung des globalen Klimas mit hoher Genauigkeit ab und sind die Grundlage für alle nationalen und internationalen Klimaschutzmaßnahmen. Ihre Darstellungen sind bisher allerdings unzureichend, um fundierte Aussagen über die zukünftige regionale und lokale Klimaentwicklung treffen zu können. Dies betrifft insbesondere Extremwetterereignisse oder auch Zirkulationsanomalien von groß-skaligen Luftströmungen, wie sie in den vergangenen Jahren häufig aufgetreten sind. Damit fehlen belastbare Aussagen über die Entwicklung des Wettergeschehens in einem sich erwärmenden Klima, die jedoch für die Anpassung an den Klimawandel dringend erforderlich sind.

Die Leistungsfähigkeit der Klimamodelle war stets durch die Leistungsfähigkeit der Computer beschränkt. Die Entwicklung im Bereich High Performance Computing (HPC), sowohl im Hardware-Bereich (Exascale-Klasse) als auch im Software-Bereich (unter anderem durch Künstliche Intelligenz, KI) erlauben nun den nächsten Leistungsschritt:
Die Entwicklung eines Klimamodells, das Simulationen des Klimas auf einem Ein-Kilometer-Gitter durchführt. Das ist eine Leistungssteigerung um etwa den Faktor 100.

Eine solche Leistungssteigerung ermöglicht es, dass die entscheidenden klein-skaligen Prozesse, insbesondere bei Wolken, aber auch im Ozean, nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten beschrieben oder aber mit neuen, wesentlich klein-skaligeren Ansätzen als bisher abgebildet (parametrisiert) werden können. Mit solchen hochaufgelösten Klimasimulationen können Maßnahmen zur Klimaanpassung und zum Klimaschutz auf regionaler Ebene wesentlich effektiver gestaltet werden.

WarmWorld greift auf die Ergebnisse der erfolgreichen BMBF-Fördermaßnahme HD(CP)² zur Modellierung von Wolken- und Niederschlagsprozessen (2012-2019) zurück und baut auf dem konvektionsauflösenden Atmosphärenmodell ICON auf ("konvektionsauflösend" = physikalische Darstellung von Wolkenbildungsprozessen). Im Ergebnis aktualisiert WarmWorld das ICON-Klimamodell.

Die Ergebnisse aus der Fördermaßnahme WarmWorld werden daher neue, hochaufgelöste, lokale Informationsprodukte sein, die für die nationale und internationale Klimawirkungs- (engl.: climate change impacts) und Anpassungsforschung von enormer Wichtigkeit sind. Die deutsche Klimaforschung wird damit neue Standards setzen.

Die Initiative ist auf zwei Phasen ausgelegt: eine Aufbauphase (2022-2026) und eine Anwendungsphase (2026-2029).

Die Ziele der Fördermaßnahme sind:

• Bereitstellung eines Modellsystems, welches auf die neue Höchstleistungsrechner-Generation (Exascale-Klasse) ausgerichtet ist, dabei die neueste HPC-Software-Technologien sowie Künstliche Intelligenz (KI) nutzt und damit den Technologie-Standort Deutschland stärken wird.
• Signifikante Reduzierung der Unsicherheiten in den globalen Klimaprojektionen, insbesondere bei der Klimavariable "Niederschlag"
• Regionale Klimaprojektionen: belastbare Aussagen zu möglichen Entwicklungen (je nach Emissionspfad) auf regionaler Skala
• Bereitstellung von neuen, hochaufgelösten, lokalen Informationsprodukten, die für die Impakt- und Anpassungsforschung von großer Wichtigkeit sind.
• Zusammenführung der wissenschaftlichen Mess- und Modellierungskompetenzen in Deutschland. Damit können die Chancen, die mit den vergleichbaren räumlichen Auflösungen der WarmWorld-Simulationsdaten, mit denen globaler Messsysteme (zum Beispiel von Satelliten) verbunden sind, optimal genutzt und neue Nutzungspotenziale - auch über die Klimamodellierung hinaus - erschlossen werden.

Für eine erfolgreiche Entwicklung des Klimamodells baut die Fördermaßnahme auf einem Umsetzungskonzept auf, das von nationalen und internationalen Expertinnen und Experten, insbesondere aus den Bereichen des Höchstleistungsrechnens und der KI entwickelt wurde. Dieses Konzept wurde zudem international begutachtet. Es sieht einen sogenannten Konsortialteil vor, mit:

• der Koordination sowie der Entwicklung und Feinabstimmung von kritischen Modell-Komponenten (Modul 1 „Better"),
• der Umwandlung der Codebasis in einen offenen, skalierbaren, modularisierten und flexiblen Code (Modul 2 „Faster") und
• der Entwicklung von neuen Methoden, um die Informationen (Simulationsergebnisse) sichtbar, zugänglich und interoperabel zu machen (Modul 3 „Easier").

und ein assoziiertes Forschungsprogramm (Bekanntmachung vom 10.02.2023) mit:

• der Entwicklung innovativer und zusätzlicher Ansätze zur Verbesserung des ICON-Softwarecodes und zur Beschleunigung der Klima-Simulationen (Modul 4 „Smarter")

In diesem assoziierten Forschungsprogramm sind begleitende Forschungsprojekte mit den Themenschwerpunkten Algorithmen-Entwicklung, mathematische Raum-Zeit-Diskretisierungsmethoden und „In-Situ"-Datenanalyse auch unter Nutzung von Künstlicher Intelligenz (KI) zur Förderinitiative „WarmWorld" ausgewählt worden und werden ab Mai 2024 für drei Jahre vom BMBF gefördert.

Die übergeordnete fachliche Koordination von WarmWorld liegt beim Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) in Hamburg, dem Deutschen Klimarechenzentrum (DKRZ) in Hamburg und dem Alfred-Wegener-Institut (Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung/AWI) in Bremerhaven.

Das BMBF fördert die Gesamt-Fördermaßnahme in der Aufbauphase mit rund 15 Millionen Euro.