SFA V: Erdsystem-Modellierung

Die Modelle, mit denen Überflutungen, Dürren und Wasserverfügbarkeit projiziert werden, beruhen auf Gleichungen, die im Labor oder auf kleinen Versuchsflächen – auf Meterskalen – hergeleitet wurden, aber auf Gitterzellen von Kilometern und für ganze Kontinente angewandt werden. Dieses Skalen-Missverhältnis ist ein Hauptgrund, warum verschiedene globale Wassermodelle auf dieselbe Frage auffallend unterschiedliche Antworten geben. Dieses Projekt vergleicht systematisch viele Modelle aus internationalen Vergleichsprojekten, die alle unter identischen Bedingungen laufen, um herauszufinden, welche Beziehungen zwischen Klimaeinflüssen und Größen des Wasserhaushalts auf der tatsächlichen Modellskala gelten. Eine Besonderheit: Das Team wendet außerdem die „Informationsfeldtheorie“ an, eine ursprünglich für die Kartierung des Kosmos entwickelte statistische Methode, nun auf Erdsystemdaten. Das Projekt ist multiskalig, weil das Missverhältnis zwischen Meter- und Kilometerskala sein zentrales Thema ist, und interdisziplinär, weil Hydrologie, Klimafolgenforschung und astrophysikalische Datenwissenschaft ihre Kräfte bündeln.

Viele komplexe Systeme – das Klima, Finanzmärkte, ganze Galaxien – zeigen Verhalten, das sich auf charakteristische Weise wiederholt. Die „Rekurrenzanalyse“ ist eine mathematische Technik, die solche Wiederholungsmuster in Messreihen aufspürt und verborgene Umbrüche im Systemverhalten sichtbar machen kann. Dieses Projekt erweitert die Technik so, dass sie Muster auf verschiedenen Zeitskalen unterscheiden und erkennen kann, wie schnelle Prozesse langsame beeinflussen und umgekehrt. Das neue Instrumentarium wird auf zwei sehr unterschiedliche Fragen angewandt: wie sich Wasserkreislauf-Modelle über Skalen vom einzelnen Flusseinzugsgebiet bis zum Globus verhalten, und wie supermassereiche Schwarze Löcher die Sternentstehung in ihren Galaxien regulieren – ob durch enge Jets oder breite Winde. Das Projekt ist multiskalig, weil das Aufspüren skalenübergreifender Kopplungen sein Kernziel ist, und interdisziplinär, weil ein und dieselbe mathematische Methode sowohl die Erdsystemforschung als auch die Galaxienentwicklung erhellt.