Wenn gute Modelle nicht ausreichen
Deutschland gehört seit Jahrzehnten zu den weltweit führenden Standorten der Klima- und Erdsystemmodellierung. An zahlreichen Universitäten und Forschungseinrichtungen werden Modelle für Atmosphäre, Ozean, Landoberfläche, Atmosphärenchemie, Biogeochemie oder Eisschilde entwickelt. Viele dieser Modelle genießen international hohes Ansehen und leisten wichtige Beiträge zu Forschung, Klimaberichten, Vorhersagen oder Projektionen zukünftiger Umweltveränderungen.
Diese Modellierungslandschaft ist historisch gewachsen. Verschiedene Einrichtungen haben eigene Modelle, Werkzeuge und Entwicklungspraktiken entwickelt – ausgerichtet an ihren jeweiligen wissenschaftlichen Schwerpunkten. Die historisch so gewachsene wissenschaftliche Expertise ist einerseits eine große Stärke, erschwert heute gleichzeitig aber die Zusammenarbeit über institutionelle Grenzen hinweg. So werden gleiche Lösungen mehrfach entwickelt, das Wissen verbleibt in einzelnen Gruppen, und neue Forschende stehen häufig vor einer komplexen Landschaft aus vielen Modellen und Softwarewerkzeugen für dieselben wissenschaftlichen Fragestellungen und technischen Anforderungen.
Gleichzeitig stehen viele Modellierungsgruppen vor der Herausforderung, historisch gewachsene Codes an moderne Hochleistungsrechner, neue Dateninfrastrukturen und zukünftige Rechnerarchitekturen anzupassen, um auch künftig international wettbewerbsfähig zu bleiben.
Die Frage lautet deshalb zunehmend: Wie können diese historisch gewachsenen, unterschiedlichen Forschungsgruppen gemeinsam an der Zukunft der Erdsystem- und Klimamodellierung arbeiten? Wie bringen wir diese vielfältigen Expertisen zusammen und nutzen unsere fachlichen, personellen und finanziellen Ressourcen effizient? Und wie können wir sie langfristig betreiben?
Genau hier setzt natESM an. Gemeinsam mit Partnern aus der deutschen Erdsystemmodellierungsgemeinschaft entwickelt und betreibt das am DKRZ koordinierte Projekt Strukturen, die offene Entwicklung, langfristig nutzbare Software und die Nutzung moderner Hochleistungsrechner unterstützen.
Vielfalt als Stärke und Herausforderung
Die nationale Erdsystemmodellierungsstrategie natESM verfolgt daher das Ziel, die deutsche Erdsystemmodellierungsgemeinschaft stärker miteinander zu vernetzen und den Zugang zu gemeinschaftlich entwickelter Software zu ermöglichen. Dabei geht es nicht darum, wissenschaftliche Prioritäten zu formulieren oder gar vorzugeben. Im Gegenteil: natESM versteht die fachliche Vielfalt der zahlreichen deutschen Modellierungsgruppen als eine der größten Stärken der Forschungsgemeinschaft, die es nun zu einem gemeinschaftlich verantworteten ESM-System weiterzuentwickeln gilt.
In den vergangenen Jahren haben wir hierfür wichtige Grundlagen geschaffen und erste Komponenten dieses komplexen natESM-Systems definiert. Rund um die Kernkomponenten zur Darstellung von Atmosphäre, Ozean und Land1 , welche die Basis des natESM-Systems bilden, gibt es die diese Kernkomponenten um zusätzliche Prozesse erweiternde Modelle wie etwa zur Atmosphärenchemie, Biogeochemie oder Eisschilddynamik (sogenannte Extended-core components2). Unsere Infrastrukturkomponenten ermöglichen die Verbindung der unterschiedlichen Komponentenmodelle3 je nach wissenschaftlicher Fragestellung.
Gleichzeitig warten zahlreiche weitere Modelle darauf, durch technische und wissenschaftliche Weiterentwicklung künftig Teil des natESM-Systems zu werden. Doch wie kommen wir zu einem System, mit dem die vielen heterogenen Fragen der Erdsystem- und Klimaforschungsgemeinschaft beantwortet werden können?
Abbildung 1: Das natESM-Ökosystem besteht aus Kernkomponenten, erweiterten Modellkomponenten, technischer Infrastruktur und Community-Services. Gemeinsam bilden sie die Grundlage für offene Entwicklung, langfristig nutzbare Software und die Integration neuer wissenschaftlicher Anforderungen.
Open Development braucht mehr als offenen Code
Moderne wissenschaftliche Software wird heute häufig offen entwickelt. Die verschiedenen Quellcodes sind öffentlich verfügbar (Open source), Versionierungssysteme ermöglichen gemeinsames Arbeiten, und viele Modellentwicklungsprojekte setzen auf transparente Entwicklungsprozesse. Unsere Erfahrungen zeigen jedoch, dass offener Quellcode zwar eine wichtige Voraussetzung für gemeinschaftliche Entwicklung ist, aber noch längst keine offene Entwicklung garantiert.
Daher stehen viele wissenschaftliche Softwareprojekte vor der Herausforderung, einerseits Stabilität des Modells und wissenschaftliche Qualität zu gewährleisten und andererseits neue Ideen, Beiträge und Entwickler:innen aus der Gemeinschaft einbinden zu können – und auch zu wollen. Diese sogenannte offene Entwicklung (Open development) erfordert mehr als frei zugänglichen Code. Sie benötigt Prozesse, die es den verantwortlichen Modellteams ermöglichen, die wissenschaftliche und technische Integrität ihrer Modelle zu bewahren, während gleichzeitig neue Entwicklungen transparent diskutiert, getestet und – wenn sie sich bewähren – in die Hauptentwicklung zurückgeführt werden können. Open Development braucht nicht nur offene Software, sondern auch offene Strukturen.
__________________________________________________________________________________
"Meiner Erfahrung nach hat Open Development das Potenzial, Silos aufzubrechen. Es geht nicht nur um den Code selbst, sondern darum, einen Rahmen für Zusammenarbeit zu schaffen, in dem Teams ihre Aktivitäten aufeinander abstimmen und neue Synergien entdecken können."
— Roland Potthast (Deutscher Wetterdienst)
__________________________________________________________________________________
Sprints als Brücke zwischen wissenschaftlichen Ideen und langfristig nutzbarer Software
Viele Entwicklungen in der Erdsystemmodellierung beginnen mit einer wissenschaftlichen Idee: Ein Modell soll erweitert, eine neue Komponente angebunden, ein numerisches Verfahren verbessert oder die Leistung eines bestehenden Codes erhöht werden. Häufig fehlt jedoch die technische Expertise, um solche Vorhaben neben dem wissenschaftlichen Alltag konsequent umzusetzen.
Um die Modell-entwickelnden Einrichtungen hierbei gezielt zu unterstützen, hat natESM einen eigenen Sprintprozess etabliert, durch welchen sich die Wissenschaftler:innen während eines (oder mehrerer) bis zu sechsmonatigen Coding-Sprints durch unsere Forschungssoftware-Entwickler:innen (Research Software Engineers, RSEs) bei der Bewältigung technischer Herausforderungen unterstützen lassen können.
Der Einstieg erfolgt über einen sogenannten Sprint Check. Die Wissenschaftler:innen wenden sich mit ihrer Idee für eine Verbesserung ihres Modellcodes an natESM. Während des Sprint Checks diskutieren sie gemeinsam mit den RSEs die technische Ausgangssituation, die Aufgabenstellung und mögliche Lösungswege.
Dabei wird auch geprüft, ob ein Modell die grundlegenden Voraussetzungen für eine langfristige Integration in das natESM-System erfüllt. Moderne Erdsystemmodelle müssen auf aktuellen und zukünftigen Hochleistungsrechnern effizient betrieben werden können, offene Entwicklungsprozesse unterstützen und technisch wartbar sein. Die enge Anbindung an das DKRZ ermöglicht dabei den direkten Austausch zwischen Modellentwickelnden, RSEs sowie Expert:innen für wissenschaftliches Hochleistungsrechnen. Dadurch können Anforderungen moderner Rechnerarchitekturen bereits frühzeitig in die technische Weiterentwicklung der Modelle einfließen. Nicht jede historisch gewachsene Software erfüllt diese Anforderungen. Die Sprint Checks helfen deshalb nicht nur bei der Planung von Entwicklungen, sondern auch bei der Einschätzung, ob eine Investition von Gemeinschaftsressourcen langfristig sinnvoll und langfristig nutzbar ist.
__________________________________________________________________________________
"Der Sprint Check ist wie ein erster Tanz: Wir finden heraus, ob wir den gleichen Rhythmus finden.“
— Wilton Jaciel Loch (DKRZ)
__________________________________________________________________________________
Auf Basis dieser technischen Analyse durch die RSEs erhalten die Antragstellenden Empfehlungen für einen vollständigen Sprintantrag. Dieser wird anschließend von mehreren Seiten begutachtet: durch das gesamte natESM-RSE-Team, die natESM-Prozesskoordinatorin sowie die Mitglieder der natESM-Steuergruppe. Die Steuergruppe setzt sich aus führenden Wissenschaftler:innen verschiedener Fachgebiete der deutschen Erdsystemmodellierungsgemeinschaft zusammen. Unser mehrstufiges Sprintantragsverfahren stellt sicher, dass sowohl langfristig technische Nutzung als auch wissenschaftliche Relevanz berücksichtigt werden. So profitieren die Antragstellenden bereits während der Antragsphase von technischem Feedback und praktischen Empfehlungen.
Wird ein Sprint bewilligt, beginnt eine bis zu sechsmonatige intensive Zusammenarbeit zwischen einem unserer RSEs und den beteiligten Wissenschaftler:innen. Wöchentliche Treffen begleiten die technische Umsetzung und helfen dabei, den Code schrittweise an moderne Rechnerarchitekturen und zukünftige Anforderungen anzupassen. Ergänzt wird der Sprintprozess durch zwei formale Statusgespräche mit den anderen natESM-RSEs und der Prozesskoordinatorin. Diese Treffen tragen dazu bei, mögliche Schwierigkeiten frühzeitig zu erkennen, den Austausch und Wissenstransfer zwischen allen Beteiligten zu fördern und gegebenenfalls gemeinsam Lösungswege für den restlichen Sprintablauf zu entwickeln.
Das Ziel eines Sprints besteht somit nicht allein darin, funktionierenden Code zu erzeugen. Ebenso wichtig sind nachvollziehbare Entwicklungsprozesse, Dokumentation, Wissenstransfer und die langfristige Nutzbarkeit der entwickelten Lösungen. Wir haben den Anspruch, dass die Sprintergebnisse zurück in die Hauptentwicklung der jeweiligen Modelle fließen müssen, damit sie der gesamten Gemeinschaft zur Verfügung stehen können.
Nach Abschluss des Sprints entsteht ein gemeinsamer Bericht, der vom verantwortlichen RSE vorbereitet und anschließend gemeinsam mit den Wissenschaftler:innen finalisiert wird. Der Bericht wird fachlich von der Steuergruppe begutachtet. Diese zusätzliche wissenschaftliche Evaluation stellt ein besonderes Qualitätsmerkmal des natESM-Sprintprozesses dar. Nur wenige Entwicklungsprojekte profitieren von einer derart engen Begleitung durch ausgewiesene Expert:innen unterschiedlicher Disziplinen.
Die Sprintberichte werden anschließend auf der natESM-Webseite publiziert und die Ergebnisse auf dem jährlichen Community-Workshop von den beteiligten Wissenschaftler:innen vorgestellt. Auf diese Weise bleiben Erfahrungen nicht auf einzelne Projektgruppen beschränkt, sondern werden für die gesamte Gemeinschaft sichtbar und nutzbar.
Aus einer Idee aus der Wissenschaft wird so nicht nur eine technische Entwicklung, sondern ein gemeinsamer Lernprozess, von dem langfristig die gesamte Gemeinschaft profitieren kann.
Wie aus einem Sprint gemeinsame Infrastruktur entsteht
Ein Beispiel liefert die Integration von MESSy in die offene Erweiterungsschnittstelle ComIn von ICON. Über viele Jahre hinweg waren Weiterentwicklungen von MESSy eng an interne Strukturen von ICON gekoppelt. Jede größere Änderung im ICON-Code erforderte aufwendige Anpassungen innerhalb von MESSy, was die langfristige Wartung erschwerte und die Übernahme neuer ICON-Versionen verlangsamte.
Abbildung 2: Von der direkten Kopplung zur gemeinsamen Infrastruktur: Die Integration von MESSy über ComIn reduziert technische Abhängigkeiten, erleichtert zukünftige Weiterentwicklungen und unterstützt Open Development innerhalb von natESM.
Ein weiterer Sprinterfolg: HAMOCC auf NEC Aurora
Gemeinsam mit Wissenschaftler:innen des DWD optimierte natESM-RSE Sergey Sukov (JSC) zentrale Routinen des Ozean-Biogeochemiemodells HAMOCC auf der NEC Aurora Vector Engine. Die Vektorisierung ausgewählter Routinen reduzierte Laufzeiten um bis zu den Faktor 70 und steigerte die Performance gekoppelter ICON-XPP-Simulationen von 4,6 auf 17 Simulationsjahre pro Tag (SYPD). Die Optimierungen wurden in den ICON-Master integriert und stehen damit der gesamten Modellierungsgemeinschaft zur Verfügung.
In zwei natESM-Sprints arbeiteten RSEs und Wissenschaftler:innen gemeinsam daran, diese Abhängigkeiten schrittweise aufzulösen. Ziel war es, MESSy über die neue ComIn-Schnittstelle an ICON anzubinden und damit eine nachhaltigere und offenere Entwicklungsstruktur zu schaffen.
Das Ergebnis reicht weit über eine einzelne technische Implementierung hinaus. Die direkte Kopplung zwischen beiden Systemen konnte reduziert, ein erster komplexer ComIn-Plugin entwickelt und ein Referenzbeispiel für zukünftige Erweiterungen geschaffen werden. Gleichzeitig entstand eine gemeinsame technische Grundlage, die die Zusammenarbeit zwischen zwei über Jahrzehnte gewachsenen Modellierungsgruppen erleichtert.
Der Sprint zeigt beispielhaft, was natESM unter Open Development versteht: nicht nur offenen Quellcode, sondern gemeinsam entwickelte Strukturen, die langfristige Zusammenarbeit ermöglichen und die Weiterentwicklung komplexer wissenschaftlicher Software nachhaltig unterstützen.
Auch für die beteiligten Wissenschaftler:innen liegt der Mehrwert häufig nicht allein im technischen Ergebnis. Trang van Pham (Deutscher Wetterdienst) betont, dass die Arbeiten zur Performance-Optimierung von ICON-XPP ohne die natESM-Sprintstruktur kaum möglich gewesen wären: "Für ein derartiges kurzfristiges technisches Vorhaben haben wir keine eigene Finanzierung."
Auch andere Sprint-Initiatoren berichten von ähnlichen Erfahrungen. So beschreibt etwa Clara Bayley vom Max-Planck-Institut für Meterologie den Nutzen der Zusammenarbeit mit natESM-RSE Wilton Jaciel Loch so: "Die Fortschritte, die er in so kurzer Zeit erzielt hat, hätten mich mindestens ein Jahr gekostet."
Mehr als Softwareentwicklung
Die technische Arbeit ist jedoch nur ein Teil eines erfolgreichen Sprints. Genauso wichtig ist die Zusammenarbeit innerhalb des Sprintteams – zwischen Menschen mit unterschiedlichen Hintergründen, Erfahrungen und Erwartungen. Wissenschaftler:innen bringen tiefes Fachwissen ein und haben konkrete Forschungsfragen im Hinterkopf. Die RSEs verfügen über Expertise in langfristig nutzbarer Softwareentwicklung, Performanceoptimierung und modernen Entwicklungsprozessen. Beide Perspektiven sind notwendig und müssen während eines Sprints erst einmal zusammenfinden.
Damit unterschiedliche Arbeitskulturen, Zeitvorstellungen oder Erwartungen an Rollen und Verantwortlichkeiten möglichst nicht zu Missverständnissen führen, investiert natESM bewusst in Strukturen, die den Austausch zwischen allen Beteiligten fördern: Wöchentliche Treffen zwischen Antragstellenden und ihrem betreuenden RSE sind ein Muss für jeden Sprint. Sprint Checks und Statusmeetings schaffen zudem Räume, in denen Erwartungen geklärt, Probleme frühzeitig erkannt und Lösungen gemeinsam entwickelt werden können. Beide Seiten können so Einblicke in die Arbeitsweisen und Herausforderungen des jeweils anderen gewinnen.
Erfolgreiche Sprints beruhen letztlich auf Vertrauen, Respekt und der Bereitschaft, voneinander zu lernen.
__________________________________________________________________________________
"Die projektbasierte Zusammenarbeit zwischen dedizierten Forschungssoftware-Ingenieur:innen und Wissenschaftler:innen ermöglicht nicht nur die effiziente Lösung technischer Herausforderungen, sondern auch den lateralen Wissensaustausch innerhalb kurzer Projektlaufzeiten."
— Julia Nabel (Max-Planck-Institut für Biogeochemie)
__________________________________________________________________________________
Räume für Austausch und Zusammenarbeit
Neben den Sprints unterstützt natESM auch den fachlichen Austausch zwischen den Mitgliedern der Gemeinschaft. Zu diesem Zweck bietet natESM verschiedene Veranstaltungsformate an, die sich gegenseitig ergänzen.
Unsere jährlichen Community-Workshops schaffen Raum für den Austausch über wissenschaftliche und technische Entwicklungen, neue Ideen sowie gemeinsame Herausforderungen. Ergänzend dazu kann jedes Community-Mitglied themenspezifische Fokus-Workshops vorschlagen, um Expert:innen aus einzelnen Fachgebieten zusammenzubringen und vertieft über konkrete Fragestellungen diskutieren zu können.
Ein Beispiel für das Ergebnis eines solchen Fokus-Workshops ist die Arbeitsgruppe zur Ozeanbiogeochemie unter Leitung von Judith Hauck (Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung) und Carsten Lemmen (Hereon), die sich während des von Judith Hauck angeregten Fokus-Workshops gebildet hat. Die Arbeitsgruppe bringt Forschende verschiedener Institutionen zusammen, um gemeinsame Perspektiven für die zukünftige Entwicklung biogeochemischer Modellierung innerhalb von natESM zu erarbeiten.
Ein erstes Ergebnis der Arbeitsgruppe ist ein Sprint-Check-Antrag – ein Beispiel dafür, wie aus dem Austausch von Forschenden verschiedener Einrichtungen mit letztlich demselben Ziel – nämlich der bestmöglichen Repräsentation biogeochemischer Prozesse im natESM-Ozeanmodell – und der technischen Expertise der natESM-RSEs konkrete Entwicklungsaktivitäten für ein neues Modell für die erweiterten Komponenten (Extended core components) des natESM-Systems entstehen können. Erste Umfragen innerhalb der Arbeitsgruppe zeigen zudem eine große Offenheit gegenüber gemeinsam entwickelten und von natESM unterstützten Modellkomponenten.
Zudem bieten wir alljährlich mindestens ein technisches Training an, die praktische Kompetenzen rund um Modelle, Werkzeuge und Infrastrukturkomponenten des natESM-Systems vermitteln und insbesondere neuen Community-Mitgliedern den Einstieg in die Erdsystemmodellierung erleichtern sollen.
All unsere Formate verfolgen das Ziel, Gelegenheiten für Begegnungen, Diskussionen und neue Kooperationen zu bieten. Nicht selten entstehen hier Ideen für gemeinsame Entwicklungen, neue Forschungsprojekte oder weitere Sprint-Anträge. Auf diese Weise wird Wissen nicht nur weitergegeben, sondern gemeinsam weiterentwickelt.
Die nächste Generation
Nachwuchsförderung gehört von Beginn an zu den zentralen Zielen von natESM. Vor diesem Hintergrund entstand im Wintersemester 2025/26 erstmals ein natESM-Masterkurs an der Universität zu Köln, organisiert in enger Zusammenarbeit mit Vera Schemann und unter Beteiligung zahlreicher Forschender und Research Software Engineers aus der natESM-Gemeinschaft. Der Kurs vermittelte nicht nur fachliche Inhalte rund um die Erdsystem- und Klimamodellierung, sondern bot den Studierenden direkte Einblicke in Modelle, Entwicklungsprozesse und Forschungsinfrastrukturen innerhalb von natESM (à Kursagenda).
Mit der ersten natESM Summer School im September 2026 geht dieser Gedanke nun einen Schritt weiter. Nachwuchswissenschaftler:innen aus verschiedenen Einrichtungen und Universitäten werden dort gemeinsam mit einer speziell vorbereiteten natESM-Konfiguration arbeiten, die einen sicheren und niedrigschwelligen Einstieg in die Erdsystem- und Klimaforschung ermöglicht. Begleitet werden sie von Wissenschaftler:innen aus der natESM-Gemeinschaft, die als fachliche Ansprechpartner:innen vor Ort zur Verfügung stehen, sowie von natESM-RSEs, die technische Unterstützung leisten und Grundlagen moderner Hochleistungsrechner vermitteln. Die Sommerschule soll nicht nur technische Kompetenzen vermitteln, sondern die Nachwuchswissenschaftler:innen frühzeitig in die natESM-Gemeinschaft einbinden und mit den Prinzipien von Open Development vertraut machen.
Die Zukunft entsteht zwischen Menschen
Deutschland investiert seit Jahrzehnten in wissenschaftliche Exzellenz, Modellentwicklung und Hochleistungsrechner. Damit diese Investitionen auch künftig ihre volle Wirkung entfalten können, braucht es jedoch mehr als Hardware und Software allein. Es braucht Strukturen, die wissenschaftliche Expertise, Forschungssoftwareentwicklung und moderne Recheninfrastrukturen miteinander verbinden.
Gemeinsam mit Partnern aus der deutschen Erdsystemmodellierungsgemeinschaft entwickelt und betreibt das am DKRZ koordinierte Projekt natESM genau solche Strukturen. Ziel ist es, Wissen, Software und technische Expertise langfristig nutzbar zu machen, die Anpassung von Modellen an neue Rechnerarchitekturen zu erleichtern und die Zusammenarbeit über institutionelle Grenzen hinweg zu stärken.
__________________________________________________________________________________
„natESM ist eine sehr gute Möglichkeit, begrenzte Ressourcen fokussiert einzusetzen, Know-how aufzubauen und zu teilen und Brücken zwischen HPC, Software Engineering und wissenschaftlichem Anspruch zu bauen.“
— Patrick Jöckel (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt)
__________________________________________________________________________________
Die Zukunft der Erdsystemmodellierung entscheidet sich nicht allein an der Leistungsfähigkeit neuer Rechner oder der Qualität einzelner Modelle. Sie entscheidet sich ebenso daran, ob es gelingt, Menschen, Modelle, Software und wissenschaftliche Expertise dauerhaft miteinander zu verbinden. Genau dazu entwickelt und betreibt das am DKRZ koordinierte Projekt natESM mit seinen Partnern eine gemeinsame Infrastruktur für die deutsche Erdsystemmodellierung.
Weiterführende Informationen:
- natESM-Website: www.nat-esm.de/
- Literatur: natESM Strategiepapier als pdf-Datei
Autorin:
- Dr. Iris Ehlert, Prozesskoordination natESM, Abteilung Anwendungen, DKRZ
natESM wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen der Fördervereinbarung Nr. 01LK2107A1 finanziert.