Das Modulare System für Schelfmeere und Küsten (MOSSCO)

Transkript

1 1/30 Das Modulare System für Schelfmeere und Küsten (MOSSCO) Konzepte und Infrastruktur zum Zusammenwirken verschiedener Modelle für die Küstenforschung Carsten Lemmen, Richard Hofmeister und Kai W. Wirtz 18. Seminar des Kuratoriums für Forschung im Küsteningenieurwesen Bremerhaven, 29. Okt. 2013

2 2/30 Offene Fragen 1. Was sind die wichtigsten Rückkopplungsprozesse im Flachwasser? 2. Was bestimmt küstennahe Stickstoff- und Phosphatgradienten und deren raumzeitliche Variabilität? 3. Was ist der ökonomische Wert der Nährstoffretention als Ökosystemdienstleistung?

3 Prozesse im Flachwasser 3/30 Disziplinen, Domänen und Skalen

4 Dafür nötige Modelle Disziplinen, Domänen, Prozesse 4/30 Ökologie Algen, Zooplankton, Nähstoffe, Detritus (NPDZ) Biogeochemie Karbonatsystem, Kreisläufe von C, N, P, (Si) Physik Strahlung, Temperatur, Salzgehalt, Transport, Turbulenz Atmosphäre Wind + Strahlung + Deposition Ozean Strömung, Turbulenz, Wellen, Schichtung Schwebstoffe Aggregation, Absinken, Fragmentierung Oberfläche Besiedlung, Schubspannung Boden Erosion, Deposition, (Im)Mobilisierung von Nährstoffen Plankton Nährstoffkreislauf, Wachstum, Absinken, Anpassung

5 5/30 Mögliche Umsetzungen Monolithisch Die besten existierenden Modelle werden in ein gemeinsames Modellsytem gekoppelt Experten aus allen Bereichen werden eingestellt und IT-Experten für die effiziente Kopplung Kontrolle über das System ist strikt und zentral Internalisierung Modular Ein Modellsystem für verschiedenste Prozessbeschreibungen offen Experten pflegen individuelle Modelle, stellen Koppelbarkeit sicher Referenzimplementierungen zeigen Anwendungsmöglichkeiten Kontrolle über das System ist gering und dezentral Externalisierung

6 Organisation 6/30

7 7/30 Forschung für Nachhaltigkeit FONA II = System Erde = Küstenmeerforschung Nord- und Ostsee verbinden terrestrische und ozeanische Lebensräume. An der Schnittstelle zwischen Land und Ozean werden neben Veränderungen durch den Klimawandel und den zunehmenden Nutzungsdruck auch noch Reaktionen auf Veränderung im Einzugsgebiet der Küstenökosysteme wirksam. Deutsche Küsten eine von vier Schlüsselregionen der Erdsystemforschung.

8 Küstenforschungsagenda Nord- und Ostsee (KüNO) 8/30 Laufzeit Ziel ist es... die wissenschaftlichen Grundlagen für die zukunftsfähige Nutzung der natürlichen Ressourcen in den Küstenregionen dieser Meeresgebiete zu legen.... die Umsetzung nationaler und europäischer Meerespolitiken in Form eines Ecosystem Approach to Management zu unterstützen. BACOSA Ostseeküsten Systemanalyse und Zustandsbeschreibung MOSSCO Modulares System für Schelfmeere und Küsten NOAH Sedimentprovinzen der Deutschen Bucht Eigenschaften, Leistungen, Risiken SECOS Die Leistung der Sedimente in deutschen Küstenmeeren STopP Vom Sediment zum Top-Prädator

9 Modulares System für Schelfund Küstenmeere 9/30 MOSSCO Konsortium HZG Helmholtz-Zentrum Geesthacht IOW Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde BAW Bundesanstalt für Wasserbau

10 Modularität 10/30

11 Warum Modularität? Anpassung an neue Fragen Austausch von Modellen & Code Offen für Komplettierung Stimulation von Entwicklung plug n play Modell- und Modulvergleiche in our domain Wissenstransfer durch Inklusion Modular System Module A Transport Model Module B 11/30

12 Ebenen der Modularität Module C Module D 12/30 plug n play Modular System in our domain Module A Module B Example (Plug plug n n play Play) Innerhalb unseres Systems in our domain Modular System Module C Module A Transport Model Module D Module B Transport Model

13 Ebenen der Modularität II plug n play with others Example (Plug plug n n play Play) Mit anderen Systemen in our domain Modular System Module A Module B Transport Model Module Module 13/30

14 14/30 Wie modularisieren wir? Auslagern Keine Neuentwicklung, sondern Integration bestehender Lösungen Nutzung existierender Kopplungstools (FABM, ESMF) Expertise extern lokal belassen Geringe Eingriffe in externe Codes Offene Entwicklung und Produkte FABM Framework for Aquatic Biogeochemical Models meece.eu/documents/fabm.pdf? ESMF Earth System Modeling Framework OpenMI Open Modeling Interface

15 Framework for Aquatic Biogeochemical Models 15/30

16 Biogeochemische Zustandsvariablen 16/30

17 Modulares Design 17/30

18 Feine Granularität Aquatic EcoDynamics Modell der UWA Example from U. of Western Autralia AED silica phosphorus Heavily modularized: six separate, coupled models 18/30

19 Earth System Modeling Framework 19/30

20 20/30 Gridded Component and transfer and regrid the data before passing it to another Gridded Component. atic shows a flow of data between two Coupler Components that connect three Gridded Components: an e model with a land model, and the same atmosphere model with a data assimilation system. Superstruktur/Topologie Atmosphere Hierarchicalor star or... D A T A D A T A Figure 3: ESMF supports configurations with a single central Coupler Component. In this case inputs from a Components are transferred and regridded through the central coupler. AtmLandCoupler AtmAssimCoupler Atmosphere D A T A D A T A D A T A Land Land DATA Coupler DataAssim DATA Ocean D A T A 54 SeaIce

21 Gemeinsame Infrastruktur Synergien nutzen, Fehler vermeiden 21/30 Figure 1: Schematic of the ESMF sandwich architecture. In this design the framework consists upper level superstructure layer and a lower-level infrastructure layer. User code is sandwiched be layers. Zeitmanager Konfigurationen Logging Parallel- Kommunikation Gitterinterpolation ESMF Superstructure AppDriver Time Component Classes: GridComp, CplComp, State U ser Time Code ESMF Infrastructure Data Classes: Bundle, Time Field, Grid, Array Utility Classes: Clock, LogErr, DELayout, VM, Config operation, such as a description of the directory structure and how to build and run the ESMF exa Section 11 is an architectural overview that describes the framework s basic goals and features. Secti steps required to adapt a component for use with ESMF. Finally, to help you become familiar with ESM the last section in the User s Guide is a glossary.

22 Abstraktion der Parallelisierung ESMF_Field / ESMF_Array Decomposition #1 #2 #3 #4 #6 #7 #8 #9 #5 #10 #11 #12 #13 ESMF_Grid ESMF_DistGrid ESMF_Field ESMF_Array ESMF_LocalArray ESMF_DELayout ESMF_VM DE connection weights PET ~ OS Instance 0 p0(0)t0 1 p1(1)t0 2 p2(2)t0 MPI 1, MPI 2, armci SHMEM, InterCon lib 3 p4(3)t0 4 p4(3)t1 5 p4(3)t2 6 p7(4)t0 PETs instantiate user code MPI 1, MPI 2, armci SHMEM, OS IPC Pthreads PE Core CPU User TETs OpenMP or Pthreads SSI Definition of terms used in the diagram 22/30

23 ESMF Features 23/30 Since 1998 by Open source (esmf.sf.net) Library (-lesmf), built from 500 k code lines Code 60% Fortran90, 40%C++ APIs: use esmf, #include <ESMC> (partial), import ESMP (emerging) Performance optimized extends existing FMS, MCT Flexible processor layout Adoption guide (PARSE) >170,000 lines of example, unit and system testing code. well documented, tutorials, support portable across Linux/Unix/Mac/MinGW abstracts parallelization layer usually single exec, but also web services Nightly tested on >40 different OS/Compiler/MPI combinations

24 MOdular System for Shelves and COasts 24/30

25 Shelf- und Küstenmeerprozesse 25/30

26 Modularisierung OMEXDIA+P Diagenesemodell im Sediment FABM's OMEXDIA+P go for more real modularity: OMEXDIA grid+porosity solver (incl. diff transport) OMEXDIA+P in FABM Grid + porosity + diff. transport by sediment driver solver library (multi purpose) Model Domain + spatial num temporal n See the code in the Tutorial: $FABMDIR/src/models/hzg/omexdia_p/omexdia_p.F90 $MOSSCO_DIR/src/drivers/fabm_sediment_driver.F90 26/30

27 Modellvergleich im Sediment compare relative denitrification rate for OMEXDIA+P and ERGOM 27/30 Oxic L. Denitrification L. Anoxic L. total=0.23 mmoln/m2/d total=0.20 mmoln/m2/d

28 Status und Kopplungen 28/30

29 Offene Entwicklung und Software 29/30 mossco.de/workshop mossco.de/code mossco.de/doc

30 30/30 Zusammenfassung Offene Fragen 1. Was sind die wichtigsten Rückkopplungsprozesse im Flachwasser? 2. Was bestimmt küstennahe Stickstoff- und Phosphatgradienten und deren raumzeitliche Variabilität? 3. Was ist der ökonomische Wert der Nährstoffretention als Ökosystemdienstleistung? MOSSCO Aufbau eines modularen und offenen Systems Komplettierung der Modellbeschreibung Küstenmeere Flexible Integration existierender Communities und Modelle Einbeziehung von Nutzern und Entwicklern =