Ziel: Bessere Vorhersagen zur Luftqualität während extremer Wetterereignisse

21. März 2023

Wetterereignisse wie Hitzewellen oder Dürren sind oft von extremer Luftverschmutzung begleitet. Leistungsfähige, räumlich hochauflösende Vorhersagen der Luftqualität könnten für nationale und regionale Umweltbehörden von großem Nutzen sein, um geeignete Maßnahmen zu treffen, die Luftverschmutzung während der Extremereignisse einzudämmen. Das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) hat deshalb Wissenschaftler:innen des Forschungszentrums Jülich unter der Führung von Anne Caroline Lange damit beauftragt, das digitale Modell der Erde zu ergänzen mit einem interaktiven Luftqualitätsvorhersagesystem und einem Bewertungsinstrument auf der Grundlage verschiedener Szenarien anthropogener Emissionen. Enge Partner sind das Umweltbundesamt (UBA) und das Landesamt für Natur-, Umwelt- und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV), die das System nutzen sollen. Das Projekt ist auf 16 Monate angelegt.

Das Vorhaben stellt eine prototypische Anwendung von Destination Earth (DestinE) dar. Diese hochkarätige Initiative ist Teil des Green Deal und der digitalen Strategie der Europäischen Kommission. Ziel von Destination Earth ist es, ein hochpräzises digitales Modell der Erde (auch digitaler Zwilling genannt) zu entwickeln, um Naturphänomene und damit verbundene menschliche Aktivitäten zu modellieren und zu überwachen. Dadurch werden die industriellen und technologischen Fähigkeiten Europas in den Bereichen Simulation, Modellierung, prädiktive Datenanalyse, künstliche Intelligenz (KI) und Hochleistungsrechnen (HPC) gestärkt.

Ziel: Bessere Vorhersagen zur Luftqualität während extremer Wetterereignisse — Grafische Darstellung der Initiative "Destination Earth" (DestinE)

Aus Jülich beteiligt sind in enger Zusammenarbeit das Institut für Energie und Klimaforschung – Troposphäre und das Jülich Supercomputing Centre. Sie sollen eine webbasierte Nutzerschnittstelle entwickeln, die es ermöglicht, hochaufgelöste Luftqualitätsanalysen und -vorhersagen auf Grundlage des sich im Aufbau befindlichen digitalen Zwillings zu initiieren. Ihre Basis sind das Chemietransportmodell EURAD-IM (European Air pollution Dispersion - Inverse Model), dessen Entwicklung durch das Forschungszentrum Jülich gefördert wurde, die webgestützte Dateninfrastruktur des „Tropospheric Ozone Assessment Reports“ und verschiedene KI-Modelle für die Berechnung von Luftqualität und Wetter. EURAD-IM liefert tägliche Vorhersagen und Analysen der Luftqualität in Europa. Sein klarer Vorteil: Dass Modell führt Simulationen mit einer horizontalen Auflösung von einem Kilometer durch, also räumlich höchst präzise.

Im Projekt werden Anwendungen des Maschinellen Lernens und Tools zur Datenanalyse von Luftqualitätsfragen entwickelt und in die verschiedenen Komponenten von DestinE eingepasst. So sollen zum Beispiel aus schnell zu errechnenden, grob aufgelösten Modellsimulationen mithilfe neuronaler Netzwerke detailreiche, fein aufgelöste Ergebnisse erzeugt werden, die den hoch aufgelösten EURAD-IM-Simulationen nahekommen und dabei viel weniger Rechenzeit benötigen. Zum Training dieser Netzwerke und für die EURAD-IM Modellrechnungen nutzen die Jülicher Forscher:innen die enormen Rechnerkapazitäten von JURECA und JUWELS des Jülich Supercomputing Centre. Das Gesamtsystem soll dabei so flexibel entwickelt werden, dass seine Übertragbarkeit auf andere europäische Großrechner des EuroHPC getestet und umgesetzt werden kann.

Der Auftraggeber, das EZMW, baut im Auftrag der Europäischen Union die ersten beiden hochprioritären digitalen Zwillinge: Einer konzentriert sich auf die Anpassung an den Klimawandel, während der andere wetterbedingte Extremen simuliert. Weiter ist das EZMW mit dem Erstellen der Digital Twin Engine, der Software-Infrastruktur für die Verarbeitung großer Datenmengen, des Maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz betraut.

Weitere Informationen:
Institut für Energie- und Klimaforschung, Troposphäre (IEK-8)
Jülich Supercomputing Centre (JSC)
Beitrag "Sauber geschätzt" in der effzett 2/22
Website ECMWF Destination Earth
Website European Commission

Zu Destination Earth (engl.):
Destination Earth is a European Union funded initiative launched in 2022, with the aim to build a digital replica of the Earth system by 2030. The initiative will be jointly implemented by three entrusted entities: the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) responsible for the creation of the first two ‘digital twins’ and the ‘Digital Twin Engine’, the European Space Agency (ESA) responsible for building the ‘Core Service Platform’, and the European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT), responsible for the creation of the ‘Data Lake’.
(Quelle: ECMWF)