Je leest:

Supercomputer bij het KNMI

Supercomputer bij het KNMI

Auteurs: en | 1 november 2003

Bij het doen van een verantwoorde weersverwachting komt heel wat zware wiskunde kijken. Voor het rekenwerk dat met de voorspelling gemoeid gaat, is dan ook een zeer krachtige computer nodig, een zogenaamde supercomputer. Hoe dat alles precies in zijn werk gaat, kun je in dit artikel lezen.

Op het KNMI wordt ontzettend veel gerekend. Voor dat rekenwerk beschikt men over een supercomputer (zie verderop) van het type SUN FIRE 15000. Deze machine bevat maarliefst 54 CPU’s. Elke CPU in deze machine is net zo krachtig als die in een geavanceerde PC. Maar belangrijker is dat de SUN FIRE goed is uitgerust om de CPU’s met elkaar te laten communiceren. De computer wordt gebruikt voor meerdere doeleinden. Het belangrijkst zijn de weersverwachtingen die ermee worden doorgerekend, maar de computer wordt ook gebruikt om klimatologische voorspellingen te doen. Men probeert antwoord te vinden op vragen zoals: Bestaat er een broeikaseffect? Wordt het warmer? In dit artikel gaan we alleen in op de weersverwachting.

Rekenen met de elementen

Bij de weersverwachting speelt een groot aantal variabelen een rol: -temperatuur -windrichting, en windsnelheid -hoeveelheid zon -luchtdruk -vochtigheid en neerslag -bodemgesteldheid

Er zijn nog veel meer elementen, dit zijn slechts de belangrijkste. Al deze variabelen verschillen lokaal; om een voorspelling voor Nederland te kunnen doen, moeten we ze kennen voor een gebied dat heel wat groter is. In de praktijk wordt gekozen voor een gebied dat circa 8.000 × 6.000 km2 groot is, dat is ongeveer een twaalfde van het totale aardoppervlak. Deze enorme oppervlakte is noodzakelijk, omdat het kan voorkomen dat binnen een termijn van twee dagen het weer aan de randen van het gebied het weer in Nederland beïnvloedt. In figuur 1 zie je een voorbeeld van een rekengebied.

Figuur 1: Het HIRLAM rekengebied beslaat ongeveer een twaalfde van het totale aardoppervlak.

Voorbereidingen

Voordat de berekening kan beginnen, dienen de weersomstandigheden van dit ogenblik te worden ingevoerd. Liefst heeft men zoveel mogelijk gegevens uit het bovengenoemde gebied. Een groot stuk van het gebied beslaat de Atlantische Oceaan. Daar zijn relatief weinig meetpunten. Daar staat tegenover dat op het vaste land (en ook op de Noordzee) veel meetpunten zijn.

Om het weer over een periode van twee dagen te voorspellen, wordt het eerder genoemde gebied (8.000 × 6.000 km2) opgesplitst in 130.000 deelgebieden van gemiddeld 22 × 22 km2 groot. Er wordt van uitgegaan dat de weersomstandigheden in één zo’n gebiedje helemaal gelijk zijn (deze aanname is uiteraard niet geheel juist, maar een fijnere indeling zou inhouden dat er een grotere computer nodig is om het rekenwerk uit te voeren). Binnen zo’n gebied van 22 × 22 km2 kunnen de variabelen op grotere hoogte sterk verschillen van dicht bij de grond. Daarom wordt het gebied van 0 tot 15 km hoogte ook nog eens onderverdeeld in 31 segmenten.

De berekening

De berekening kan beginnen. Er wordt per gebiedje van 22 × 22 km2 berekend hoe het weer er over zes minuten uit zal zien, dat wil zeggen: per element zoals luchtdruk, temperatuur en neerslag, wordt er berekend wat daarmee gebeurt in een dergelijke periode.

Het lijkt allemaal heel simpel: door de verplaatsing van de lucht wordt ‘het weer’ verplaatst, maar er komen nog tal van andere invloeden bij kijken, zoals verdamping uit zee, neerslag en botsende fronten.

Vervolgens moeten de gegevens worden doorgegeven aan de aangrenzende gebiedjes. Deze gegevens dienen dan weer als invoer voor een nieuwe ronde waarin opnieuw het weer na zes minuten berekend wordt. Uiteindelijk 480 berekeningen verder is er een voorspelling berekend voor over een periode van twee dagen.

Het gebruik van een supercomputer

In principe zou één PC deze berekening kunnen uitvoeren. Het zou een PC echter 30 uur kosten. Daar heb je weinig aan als je het weer slechts voor 48 uur voorspelt. Vandaar dat de berekening wordt opgesplitst in 36 moten. Elke moot omvat ongeveer 3600 gebiedjes. Een CPU doet de berekening van zo’n moot nu in 1/36 deel van de oorspronkelijke tijd, dat is 50 minuten.

Er is nu echter een complicerende factor. Als een berekening voor een interval van zes minuten is uitgevoerd, dan moeten gegevens worden uitgewisseld tussen aangrenzende gebiedjes. In het geval van de straalstroom (een op 9 à 10 km hoogte waaiende zeer sterke wind, soms wel meer dan 350 km/uur) kan ‘het weer’ (dus wolken, temperatuur, etcetera) zich nog veel sneller verplaatsen. In zes minuten tijd kan het weer zich dan twee of drie vakjes verplaatsen. Nu zal het ook voorkomen dat deze gebiedjes zich bevinden op twee verschillende CPU’s. In dit geval zullen de CPU’s met elkaar moeten communiceren. Het KNMI gebruikt een marge van vijf vakjes overlap. Na elke tussenberekening zal deze communicatie opnieuw plaats moeten vinden.

De supercomputer van het KNMI: Het KNMI beschikt over een supercomputer van het type SUN FIRE 15000. Deze computer bevat 54 CPU’s (een gewone pc heeft er 1). Het is echter nog lang niet de grootste supercomputer in Nederland: die staan in Amsterdam en Rijswijk.

De bovengenoemde berekening wordt diverse malen per dag herhaald. Als de computer niet wordt gebruikt voor de weersverwachting, dan zijn er mogelijkheden om bijvoorbeeld de computer te gebruiken ten behoeve van berekeningen aan het klimaat.

Dit artikel is een publicatie van Pythagoras (KWG).
© Pythagoras (KWG), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 november 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.