Parallelisierung von meteorologischen Modellen unter besonderer Berücksichtigung des Produktionscodes MM5

Zur Simulation der Atmosphäre im Rahmen der numerischen Wettervorhersage ist heute der Einsatz
leistungsstarker Vektorrechner üblich und nicht mehr wegzudenken. Aufgrund der komplexen Gleichungen,
die bei dreidimensionalen instationären Strömungsvorgängen mit Berücksichtigung der zahlreichen
physikalischen Nebenbedingungen einer realen Anwendung in der Atmosphäre auftreten, ist
eine Simulation mit vertretbarem Zeitaufwand nur für relativ grobe Auflösungen der Modellgebiete zu
realisieren.
Qualitative Verbesserungen von Atmosphärensimulationen, d.h. verläßlichere und genauere Prognosen,
lassen sich durch feinere Auflösungen der verwendeten Rechengitter erzielen (vgl.
[10],[14],[18]), erfordern aber eine wesentlich höhere Leistungsfähigkeit der Computersysteme. So
hat bereits eine Verfeinerung des Rechengitters um den Faktor 2 in allen drei Raumrichtungen einen
insgesamt achtmal höheren Rechenaufwand zur Folge. Mit den derzeit eingesetzten Rechnern sind
solche Simulationen wegen des immensen Zeit- bzw. Rechenaufwands in den meisten Fällen nicht
sinnvoll. Nach heutigem Kenntnisstand sind bei Rechnerarchitekturen mit einem gemeinsamen Hauptspeicher,
zu denen auch die Vektorrechner zählen, die physikalischen Grenzen der Hardware nahezu
erreicht und es ist deshalb in Zukunft nicht mehr mit einer wesentlichen Steigerung der Performance
dieser Architekturen zu rechnen.
Eine signifikante Leistungssteigerung kann in naher Zukunft nur von Computerarchitekturen mit verteiltem
Speicher, den massiv-parallelen Rechnersystemen, zur Verfügung gestellt werden. Im Forschungsbereich
wurden in den vergangenen wenigen Jahren bereits erste Erfahrungen mit solchen
Rechnern mit bis zu vierstelligen Prozessorzahlen gesammelt. Der Einsatz von Parallelrechnern eröffnet
der oben beschriebenen Problematik also eine neue Perspektive.
In diesem Rahmen war es Ziel dieser Arbeit die Möglichkeiten der Parallelisierung von Programmen
aus dem Bereich der meteorologischen Modelle zur Simulationen der Atmosphäre anhand des Programmpakets
MM5 (Mesoscale Model Version 5) zu untersuchen ([3],[16],[17]). Bei dem Umfang
dieses Modells zur kurzfristigen Wetterprognose und aufgrund des begrenzten Zeitrahmens einer
Diplomarbeit konnten nur Hauptkomponenten des MM5 Gegenstand der Untersuchungen sein. Dafür
wurde eine geeignete sequentielle Programmversion erstellt, die die wesentlichen dynamischen
Teile der wichtigsten Variablen enthält, und auf einen massiv-parallelen Rechner portiert.