• 2.1 Beschreibung
• 2.2 Nutzer
• 2.3 Nutzung
• 2.4 Qualität
• 2.5 Leistungen
• 2.6 Ressourcen

Die IMDI ist eine Umgebung zur Kompilierung und Ausführung von Erdsystemmodellen und zur Analyse und Archivierung der Ergebnisse. Wichtige Eigenschaften sind Portierbarkeit, Anwendungsfreundlichkeit und Flexibilität in Hinsicht auf die Modellzusammensetzung. Modelle werden nicht von M&D entwickelt, sondern zur Bearbeitung importiert. Sie werden an die IMDI angepasst, deren Standards und Regeln im FP5 Projekt PRISM auf internationaler Ebene unter Leitung von M&D festgelegt wurden. Sie sind in den Handbüchern The Standard Compile Environment (SCE, PRISM report series No. 4.) und The Standard Running Environment (SRE, PRISM report series No. 5) dokumentiert (siehe www.mad.zmaw.de/service-support/documents/ ).

Die SCE und SRE werden seit Ende des PRISM Projekts (Dezember 2004) von M&D gepflegt und sind in die IMDI integriert. M&D verwendet für seine Infrastruktur auch die in PRISM entwickelte Kopplungssoftware (OASIS3/4 und zugehörige Bibliotheken). Kontakte zu den Entwicklern der Kopplungssoftware and anderer Modelle sind durch die Mitarbeit in der internationalen PRISM Support Initiative (PSI) gegeben. Numerische Modelle und IMDI selbst werden in einem von M&D gepflegten zentralen Repository verwaltet und an die Nutzer, nach Absprache mit den Modelleignern, weitergegeben.

M&D konzentriert sich dabei auf die Integration der Modelle, die für Konsortialrechnungen verwendet werden. Entscheidungen welche Modelle von M&D unterstützt und in die Infrastruktur integriert werden, werden vom Wissenschaftlichen Lenkungsausschuss (WLA) in Abstimmung mit der wissenschaftlichen Community getroffen. Die Portierung von Infrastruktur und Modellen für Konsortialrechnungen auf verschiedene Rechnerarchitekturen ist Teil der Entwicklungsarbeiten von M&D. Pflege und Portierung anderer Modelle wird jeweils von den nationalen oder europäischen Modelleignern wahrgenommen.

Die Arbeitsabläufe im Bereich Modellintegration und Infrastrukturentwicklung sind in Abb. "WF1: Model integration into IMDI" graphisch dargestellt.

Die Farben in der Abbildung kennzeichnen den Zuständigkeitsbereich von M&D (gelb), die externe Welt der Computerhersteller (Vendor, rot) und der Modellentwickler (blau). Pfeile existieren zwischen Produkten und Tätigkeiten, wenn die Produkte Input oder Output von einer Tätigkeit sind.

Ovale bezeichnen Aktivitäten von M&D im Bereich der Modellintegration. So ist M&D z.B. allein verantwortlich für die Pflege des Modell-Repositorys und die Dokumentation der Handhabung und Performance der integrierten Modelle auf den getesteten Plattformen. Die meisten Arbeiten werden gemeinsam mit dem Institut durchgeführt, das für das jeweilige Modell zuständig ist.

Boxen bezeichnen Produkte von M&D. Dazu gehört das M&D Code Repository (CR) mit den an die IMDI angepassten Modellen, die Standard Kompilier Umgebung SCE und die Standard Lauf Umgebung SRE. Außerdem wird eine Tabelle im Internet gepflegt, die die Testläufe der angepassten Modelle einschließlich der Rechner dokumentiert. Die vorgenommenen Änderungen der integrierten Modelle sowie ihre Anwendung werden dokumentiert.

Der OASIS-Koppler wird nicht von M&D entwickelt oder gepflegt. Die Entwicklung liegt ausschließlich bei Cerfacs (Toulouse, Frankreich). Bugs oder sich im Rahmen der Qualitätssicherung ergebende Änderungs- oder Erweiterungsanforderungen werden gegebenenfalls an Cerfacs übermittelt.

Modelle, die in die IMDI eingefügt werden sollen, werden zur Bearbeitung von den jeweiligen Instituten zur Verfügung gestellt. Dies können Komponentenmodelle sein, oder gekoppelte Modelle. Komponentenmodelle parametrisieren i.a. einen Teil des Erdsystems (z.B. Meereis, Atmosphärenchemie, Ozean, etc.). Sie können als stand alone Modelle ausführbar sein, oder nur im Verbund mit anderen Partnermodellen. Als gekoppelte Modelle werden Modellsysteme bezeichnet, die aus mehreren Komponentenmodellen bestehen. Mehrere Komponenten können in ein ausführbares Programm integriert sein und Daten über Parameterlisten austauschen. Gekoppelte Modelle können auch aus mehreren übersetzten ausführbaren Programmen bestehen, die über den OASIS-Koppler Daten austauschen. Die Regeln hierzu sind im SCE Handbuch (s.o.) festgelegt. Werden Änderungsvorschläge der Modelle gemacht, dann werden sie direkt an das verantwortliche Institut übermittelt. M&D nimmt i.a. nur Änderungen vor, die sich auf die Kopplung oder andere Aspekte der Infrastruktur beziehen.

Im Folgenden wird eine detaillierte Beschreibung der in Abb. WF1 dargestellten Tätigkeiten von M&D im Zusammenhang mit der Modellintegration gegeben. Es wird auch auf die Schnittstelle zwischen M&D und den Modellentwicklern eingegangen.

• T2.1.1
  Das M&D Code Repository (CR) enthält alle Komponentenmodelle, die an die IMDI angepasst sind. Außerdem werden dort die toolkits zur Erzeugung von Compile- und Run-Skripten verwaltet. Die Verwaltung, d.h. Import von Software und Versionierung, liegt in der Verantwortung von M&D. Der Import von Modellen oder Kopplungssoftware wird von M&D in Abstimmung mit den Entwicklern durchgeführt. Es wird davon ausgegangen, dass die Modelleigner mit der Archivierung ihrer Modelle im M&D CR einverstanden sind, wenn M&D die Modelle in das IMDI integriert hat. Dies ist nötig, damit ein ausreichend großer Modellbestand zu Testzwecken zur Verfügung steht, und gewährleistet werden kann, dass die Modelle mit Änderungen an der IMDI kompatibel sind. Eine Verteilung der Modelle an Dritte findet nur statt unter Wahrung der Lizenzbedingungen und in Abstimmung mit den Modelleignern.

• T2.1.2
  Modelle werden von den Modelleignern an M&D als lauffähige Software abgegeben, d.h. es werden mit dem Quellcode Skripte zum Kompilieren und solche zur Durchführung von Testläufen geliefert. Zunächst wird geprüft, ob alle vereinbarten Schnittstellen mitgeliefert wurden und das Modell die SCE Programmieranforderungen erfüllt. Die mitgelieferten Daten werden auf Vollständigkeit und Lesbarkeit für die Plattformen, auf denen die Tests durchgeführt werden, geprüft. Die Ergebnisse werden protokolliert und den Modellentwicklern mitgeteilt. Vor Aufnahme der Arbeit wird eine Aufwandsabschätzung durchgeführt und danach über das weitere Vorgehen entschieden. Der Aufwand ist von Modell zu Modell und Aktivität zu Aktivität verschieden. Allgemeingültige Angaben können nicht gemacht werden.

• T2.1.3
  Entspricht T1.2 für die Kopplungssoftware. Tests werden entsprechend den Releasebeschreibungen durchgeführt. Soll ein neues Release noch mit den alten Modellen lauffähig sein, wird es, soweit wie möglich, mit den schon bei M&D vorhandenen gekoppelten Modellen getestet. Entsprechend wird eventuell die Reproduzierbarkeit geprüft. Auftretende Probleme werden protokolliert und an Cerfacs gemeldet.

• T2.1.4
  Die Anpassung des Modellquellcodes an das SCE geschieht in enger Abstimmung mit den Modellentwicklern. Es kann erforderlich werden, die Quellcodestruktur zu ändern, um eine Anwendung der SCE Tools zu ermöglichen.

• T2.1.5
  Die Anpassung von Komponentenmodellen an das SCE kann bedeuten, dass eine neue Rechnerarchitektur für das Modell ins SCE aufgenommen wird, oder dass das Modell neu aufgenommen wird, oder beides. Die IMDI enthält keine Kompilierskripte, sondern Tools um solche für eine gewünschte Plattform für ein Modell zu erzeugen. Diese Tools müssen für die Benutzung einer neuen Plattform, eines neuen Modells, oder beides erweitert werden. Einzelheiten hierzu finden sich im SCE Handbuch. Die Tools und die erzeugten Skripte werden von M&D getestet. Konflikte werden in Übereinstimmung mit den Modellentwicklern gelöst. Müssen neue Funktionalitäten in das SCE eingebaut werden, dann muss backward Kompatibilität sichergestellt werden. Die Erweiterungen des SCE Tool-Kits werden ins M&D CR importiert (siehe T1.1).

• T2.1.6
  Der Einbau eines Austauschalgorithmus zwischen Komponentenmodellen durch Benutzung der OASIS-Kopplungssoftware kann Expertise erfordern, die bei den Modellentwicklern nicht vorhanden ist. Es ist von Fall zu Fall zu entscheiden, ob diese Arbeit von M&D mit Beratung der Modellexperten oder von den Modellentwicklern mit Beratung durch M&D durchgeführt wird.

• T2.1.7
  Die Anpassung eines Modells an das SRE kann auch Modifizierung des Modellquellcodes bedeuten (z. B. wenn Steuerungsparameter, die im SRE für eine flexible Konfiguration von Experimenten benötigt werden, hart kodiert sind, oder wenn Austauschfrequenzen nicht über die OASIS Namelist-Datei eingegeben werden können). Diese Änderungen werden mit den Modellentwicklern abgestimmt.

• T2.1.8
  Die Anpassung von (gekoppelten) Modellen an das SRE kann bedeuten, dass eine neue Plattform für das Modell ins SRE aufgenommen wird, oder dass das Modell neu aufgenommen wird, oder beides. Dies entspricht der Anpassung der Komponenten an das SCE. IMDI enthält keine Run Skripte, sondern Tools um solche für eine gewünschte Plattform für ein Modell zu erzeugen.

• T2.1.9
  Bevor Modelle und Erweiterungen des SCE oder SRE ins CR eingespielt werden können, müssen Testläufe von M&D durchgeführt werden. Die Qualität der Läufe und Performance werden protokolliert. Die Protokolle werden den Modellentwicklern zur Kenntnis gebracht. Bei nicht akzeptablen Ergebnissen wie z.B. Modellinstabilität bei Produktionsrechnungen wird das weitere Vorgehen mit den Modellentwicklern abgestimmt.

• T2.1.10
  Bei akzeptablen Ergebnissen werden diese in eine Tabelle, die von M&D gepflegt wird, eingestellt. Die Modelle und Protokolle werden ins CR gestellt (T1.1), und stehen der Gemeinde im Rahmen der Lizenzbedingungen und in Abstimmung mit denModelleignern zur Verfügung. Es wird angestrebt, die Ressourcenanforderung der wichtigsten Modelle (Community-Modelle für Konsortialrechnungen) auf den wichtigsten Plattformen stets aktuell zu dokumentieren.

Ein Vorteil für Nutzer von numerischen Modellen innerhalb der IMDI ist die garantierte Portabilität über alle unterstützten Plattformen hinweg. Bei der Entwicklung wurde Gewicht darauf gelegt, für die Nutzung aller Modelle auf allen Plattformen eine möglichst einheitliche Benutzeroberfläche zu schaffen und plattform- und modellspezifischen Skriptcode deutlich zu kennzeichnen. Damit können numerische Modelle in der Erdsystemforschung leichter und flexibler als bisher als Instrumente der Forschung eingesetzt werden. Externe Nutzer und Modellentwickler finden am DKRZ, aber auch an den Implemetierungsstandorten der Infrastruktur (siehe Abschnitt Nutzer), eine Umgebung vor, die es erlaubt, mit minimaler Einarbeitung in Infrastruktur numerische Modelle als Instrumente der Forschung zu nutzen, und für die Arbeit mit neuen Modellkomponenten bereits vorhandene Modellsysteme zu verwenden.

Die weitere Planung sieht vor, in IMDI mit Hilfe der Grid-Technologie die Anwendung unterschiedlicher, geographisch verteilter Ressourcen zu virtualisieren. Virtualisierung bietet sich hier unter zwei Aspekten an, dem verteilten Rechnen und der verteilten Datenhaltung. Während sich der Bereich verteiltes Rechnen noch in der Konzeptionsphase befindet, wird die verteilte Datenhaltung bereits im Earth System Grid (USA), dem NERC Data Grid (UK) und dem C3-Grid (D) umgesetzt.

1. Projekte

a. PRISM Support Initiative (PSI) (PRISM: EU FP5 Program for Integrated Earth System Modelling, Dez. 2001-Nov. 004)

b. EU: Global and regional Earth-system (Atmosphere) Monitoring using Satellite and in-situ data (GEMS)

c. BMBF: Service Gruppe Anpassung (SGA)

d. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)

e. Community Earth System Models (COSMOS)

2. Modellentwickler und -anwender an

a. MPI für Meteorologie, Hamburg

b. MPI für Biogeochemie, Jena

c. Institut Pierre Simone Laplace (IPSL), Paris

d. Meteo France, Toulouse

e. Institut für Meereskunde - GEOMAR, Kiel

f. Institut für Meereskunde, Universität Hamburg

g. GKSS Forschungszentrum, Geesthacht

h. Meteorologisches Institut, Universität Bonn

i. Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut (KNMI), Utrecht

j. Instituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), Bologna

k. National University Ireland, Galway

Von M&D selbst werden die Modelle integriert und unterstützt, die für die Konsortialrechnungen verwendet werden. Festlegung dieser Modelle erfolgt in Abstimmung mit dem WLA (Wissenschaftlicher Lenkungsausschuss) und der Forschungsgemeinschaft. Das sind zurzeit die Modelle ECHAM5/MPI-OM, ECHAM5+HAM/MPIOM+HAMOCC, ECHO-G, REMO und CLM. Andere, in IMDI enthaltene Modelle werden von den jeweiligen internationalen Modelleignern betreut. IMDI wurde auf folgenden Plattformen erfolgreich getestet:

• PC-Cluster mit Linux
• SGI Origion 3800 mit IRIX64
• SGI Altix 3000 mit IA64SGI
• IBM Power 4 mit AIX
• NEC SX5/6 mit Super-UX
• Fujitsu VPP500 mit UXPV

Die Entwicklung einer portierbaren IMDI wäre ohne das PRISM Projekt, insbesondere ohne die Teilnahme der Herstellerfirmen (SGI, NEC,SUN, Fujitsu; in PSI jetzt zusätzlich IBM, CRAY) nicht möglich gewesen. Durch die Teilnahme vieler Institute, die in der Entwicklung von Erdsystemmodellen engagiert sind, konnten außerdem die Anforderungen vieler Simulationsmodelle Berücksichtigung finden. Auf Grund der veränderlichen Rechner- und Modell-Landschaft ist eine kontinuierliche Betreuung und Weiterentwicklung der Software erforderlich. Nutzer der IMDI oder auch von Teilen wie SCE und SRE profitieren bei der Unterstützung durch M&D deutlich durch die Expertise, die die Gruppe während der Entwicklungszeit in PRISM erworben hat. Unterstützungsbedarf kann bei der Anpassung von Modellen und Skripten an neue Rechnerumgebungen entstehen, wenn diese nicht schon im PRISM Projekt Berücksichtigung fanden (wie z. B. die DKRZ Rechnerumgebung). Eine Anfangseinweisung der Nutzer ist oft erforderlich, und wird von M&D im Rahmen von Nutzerschulungen angeboten. Meist ist auch eine Anpassung an spezielle Anforderungsprofile gewünscht. Die weitere Nutzerunterstützung hängt sehr von der Erfahrung und Ausbildung des Anwenders ab. Erfahrene Modellnutzer kommen nach Implementierung und Anfangseinweisung meist alleine zurecht.

Ein wesentliches Qualitätskriterium ist die zeitnahe Erledigung von Anfragen und Anpassung der IMDI an neue Plattformen und Modelle. Rückkoppelung mit den Nutzern ist durch direkten Kontakt, "Best Practice" Workshops von DKRZ und M&D, sowie Präsentation auf nationalen und internationalen Konferenzen gegeben.

2.5.1 .Konsistenzprüfung und Anpassung der Klimamodelle an SCE

2.5.2. Implementierung von Modell-Schnittstellen für Koppelung

2.5.3 Anpassung der Klimamodelle an SRE und Experiment-Monitoring

2.5.4. Aktualisierung und Weiterentwicklung von SRE und SCE

2.5.5. Durchführung und Dokumentation von Testläufen für Performance und Stabilität

2.5.6 Nutzerunterstützung in Anwendung und Implementierung von IMDI, Handbücher,

2.5.7 Web-Dokumentation und Präsentationen

Infrastruktur des DKRZ und ZMAW (CIS)