Als Gesprächsthema taugt das Wetter immer - dabei kann die Kunst, es vorherzusagen, durchaus mithalten. Der Deutsche Wetterdienst setzt zwei Linux-Cluster ein, um den neuen Vektorrechner geschickt in Szene zu setzen. Mit bewusster Ungenauigkeit wollen die Wetterexperten ihre Vorhersagen verbessern.

"Kachelfrosch hat eine Warnung für Südhessen herausgegeben", brüllt der Supervisor hinter seiner Phalanx aus einem Dutzend Flatscreens hervor. "Was sagen wir?" Geschäftigkeit bricht im Vorhersageraum des Deutschen Wetterdienstes [1] aus, Meteorologen beugen sich über Monitore, die Temperaturen, Satellitenbilder, Hochs und Tiefs zeigen: "Der übertreibt mal wieder, unser Modell sagt nur moderate Niederschläge voraus", kommt die Antwort - tatsächlich ist es in Offenbach, der Zentrale des DWD, zwar wolkenverhangen, aber noch trocken.

Die dem Verkehrsministerium nachgeordnete Behörde steht bei Wettervorhersagen mit privaten Vorhersagediensten, wie etwa dem von Jörg Kachelmann gegründeten Meteomedia [2] im Wettbewerb. In anderen Bereichen ist der DWD jedoch ohne Konkurrenz - etwa bei der numerischen Wettervorhersage (NVW). So nennen die Meteorologen und Ingenieure die Deutung des Wetters durch Computer [3]. Beim DWD spielt dabei Linux eine wichtige Rolle.

Langjährige Nutzer

Auf vielen Tischen der Mitarbeiter stehen Linux-Workstations, oft mit Dual-Head-Grafikadaptern, um Karten und Daten gleichzeit im Blick zu behalten. Das Institut prüft gerade, ob es an einem Pilotbetrieb im Verkehrsministerium zur Open-Office-Migration teilnehmen will, und in einigen Visualisierungkomponenten für Kunden wie dem Wetterbericht der Tagesschau werkelt ebenfalls ein Tux.

Seit der erstmaligen Linux-Einführung 2001 hält der DWD viel Know-how in seinen eigenen Reihen. Bei Basisaufgaben lässt er sich von Hard- und Softwarelieferanten beraten, etwa von FSC und Novell, denn der Dienst setzt weitgehend auf Open Suse und SLES. "Unsere vielen, zumeist wissenschaftlichen Anwendungen kommen gut mit Linux zurecht", erklärt Alexander Harth, Leiter der Anwenderunterstützung. "Wenn wir eine Anwendung selbst betreuen, setzen wir eine freie Distribution ein, andernfalls verlassen wir uns auf den Herstellersupport." Harth ist zufrieden mit der Wahl, erklärt sie aber keineswegs zum Dogma: "Einige Hersteller unterstützen offiziell nur Suse, andere nur Red Hat. Letztlich läuft das meiste aber überall."

"Viele unserer Mitarbeiter arbeiten gerne hier, weil sie anspruchsvolle Aufgaben in einem technisch interessanten Umfeld lösen", berichtet der Abteilungsleiter stolz. So nehmen die Mitarbeiter auch am Open-Source-Leben teil, reichen regelmäßig Patches ein und haben sogar das eigene Werkzeug Automatic File Distributor (AFD) zur Verteilung großer Datenmengen in HA-Umgebungen unter eine freie Lizenz gestellt [4].

Der DWD bewegt täglich rund 11 TByte Rohdaten in 11 Millionen Dateien durch sein deutschlandweites Netz. Allein eine einzelne Simulation benötigt rund 500 MByte an Messwerten und weitere 18 GByte Anfangsdaten aus vorhergehenden Simulationen. Als Ergebnis eines Durchlaufs entstehen 40 GByte. Für zukünftige Analysearten planen die Ingenieure heute schon einmal mit 2,4 TByte großen Resultaten pro Tag.

Blick in die Zukunft

Von diesen Modellen berechnet der DWD nicht nur eines, sondern gleich drei: Die drei Simulationen GME, COSMO-EU und COSMO-DE berechnen ausgehend von vielfältigen Messwerten das vermutliche Wetter der kommenden Tage. Dabei überzieht das erste Modell GME die ganze Erde mit einem mehrschichtigen Dreiecksgitter einer Kantenlänge von aktuell 40 Kilometern und deutet bis zu eine Woche in die Zukunft. An jedem Knoten stehen meteorologische Daten wie Temperatur, Luftdruck, Windrichtung und -geschwindigkeit sowie mehrere Luftfeuchtewerte, die im standardisierten GRIB-Format vorliegen [5]. Die weiteren Modelle funktionieren nach einem ähnlichen Ansatz. Sie decken aber nur Europa, dafür aber mit einer Gitterlänge von 7 Kilometern (COSMO-EU) sowie Deutschland mit einer Gitterlänge von 2,8 Kilometern ab (COSMO-DE).

Die Modelle bauen aufeinander auf: Die europäische Vorhersage verwendet Daten aus dem Global-Godell, die Simulation für Deutschland bedient sich aus dem Europa-Modell. Ein Durchlauf der Simulation benötigt zwischen zwei und vier Stunden, täglich berechnen die Cluster des DWD bis zu achtmal das jeweilige Modell (siehe Abbildung 1). "Wichtig für unsere Aufgaben sind die präzisen Abgabetermine", betont Thomas Hanisch aus der Forschungsabteilung Numerische Modelle. Er betreut ihren Betrieb.

Abbildung 1: Die Berechnungen der Vorhersagemodelle sind rund um die Uhr verteilt. Im äußeren Ring läuft die globale Simulation GME. Sie liefert ihre Daten an das europäische Modell COSMO-EU weiter im zweiten Ring. Die Deutschland-Vorhersage (COSMO-DE) spuckt der Rechner im dritten Ring alle drei Stunden aus. (Bild: Quelle: DWD)

Die Berechnungen sind nach wie vor in Fortran verfasst, denn "Java oder C++ sind da einfach nicht stabil genug", schmunzelt der Diplom-Physiker, der Linux noch von Disketteninstallationen kennt. In seinem Büro mit einer ansehnlichen Sammlung von Überraschungseiern erläutert er, dass rund 100000 Zeilen Korn-Skripte die einzelnen Programmteile und ihre Abhängigkeiten steuern. "Das ist ziemlich portabel. Wir haben schon mehrfach die Hardware-Architektur gewechselt, aber die Skripte funktionieren weiter", berichtet Hanisch.

Die numerischen Berechnungen führen 224 Vektorprozessoren eines SX-9-Rechners von NEC mit insgesamt nominal 23 Teraflops durch, der erst seit wenigen Monaten beim DWD steht und noch nicht mit der vollen Leistung fährt [6]. Aber bereits jetzt dürfte die Maschine unter den Top-Ten der leistungsfähigsten Rechner in Deutschland rangieren, in der internationalen Wertung sollte ein zweistelliger Platz drin sein, hoffen die Systembetreuer.

Als Gesprächsthema taugt das Wetter immer - dabei kann die Kunst, es vorherzusagen, durchaus mithalten. Der Deutsche Wetterdienst setzt zwei Linux-Cluster ein, um den neuen Vektorrechner geschickt in Szene zu setzen. Mit bewusster Ungenauigkeit wollen die Wetterexperten ihre Vorhersagen verbessern.