Der Kernprofilbereich "Intelligente Methoden für die Erdsystemwissenschaften" zielt darauf ab, die Erdsystemwissenschaften voranzutreiben, indem eine neue Generation von Methoden entwickelt wird, die neuartige Beobachtungen, Simulationen und rechnerische Analysen nutzen, um das vergangene, gegenwärtige und zukünftige Erdsystem zu verstehen. Auf diese Weise stellen wir Kompetenzen zum Monitoring und zur Vorhersage von Umweltveränderungen für verschiedene Anwendungen und zur Unterstützung politischer Entscheidungsträger bereit. 

Mit einem innovativen interdisziplinären Ansatz streben wir eine enge Verbindung zwischen den Erdsystemwissenschaften, den angrenzenden Naturwissenschaften (Physik, Chemie, Biologie) sowie der Informatik und Mathematik an. Ein solcher interdisziplinärer Ansatz ermöglicht es, Anwendungen z.B. in der Astronomie, den Umweltwissenschaften und der Energiewirtschaft zu erreichen.

Mit den starken regionalen Partnern, d.h. der Universität Bonn sowie dem Forschungszentrum Jülich, hat die Universität zu Köln (UzK) bereits das Center for Earth System Observation and Computational analysis (CESOC) gegründet, das das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) mit der Forschung auf diesem interdisziplinären Gebiet verbindet. Darüber hinaus ist die Weiterentwicklung starker Infrastrukturen, wie die weltweit einzigartige Plattform für Geochronologie an der UzK, vorgesehen. Auch ist geplant, die Kompetenzzentren innerhalb des Geoverbundes ABC/J, wie das Isotope GeoScience Centre (IGSC4i) und das Cloud and Precipitation Exploration Laboratory (CPEX-LAB), weiter zu stärken.

Mit der KPA-Förderung der UzK sollen die interdisziplinäre Zusammenarbeit in der Forschung ausgebaut, innovative Lehrkonzepte entwickelt, Ansätze zur Nachhaltigkeit unterstützt und Outreach-Aktivitäten ermöglicht werden.

Unser Erdsystem stellt essentielle Funktionen zur Verfügung ohne die wir auf unserem Planeten nicht überleben können (z.B. ein stabiles Klima, Trinkwasser und Nahrung). Wegen der enormen Komplexität des Erdsystems ist es schwer einzuschätzen, wie gefährdet grundlegende Elemente dieses Erdsystems durch menschliche Aktivitäten sind und wie nah wir uns an etwaigen planetaren Belastungsgrenzen befinden. Diese Überlastung des Erdsystems manifestiert sich bspw. in einer größeren Zahl von Wetterextremen, einem fortschreitenden Verlust der Artenvielfalt und anderen für uns essentielle Ökosystemdienstleistungen. Die systematische Erforschung der resultierenden Auswirkungen und Vermeidungs- bzw. Anpassungsstrategien ist die zentrale Herausforderung für die Erdsystemwissenschaften im 21 Jhd.

Gleichzeitig steht eine neue Generation von Instrumenten zur Verfügung: neuartige Ansätze zur Beobachtung des Erdsystems, hochauflösende experimentelle Daten und Simulationen sowie intelligente Berechnungsmethoden wie maschinelles Lernen, effiziente Algorithmen oder Exascale-Computing. Diese bieten ein noch nie dagewesenes Potential, Prozesse und Zusammenhänge von vergangenen, gegenwärtigen und vor allem zukünftigen Veränderungen im komplexen, gekoppelten Erdsystem besser zu verstehen, um wissenschaftsbasierte und vor allem verlässliche Empfehlungen u.a. für die Politik und Energiewirtschaft aussprechen zu können.

Auf die erfolgreich laufenden Verbundprojekte, in denen die Ideen des KPA IMfESS eine Rolle spielen, sollen weitere Großprojekte folgen und vom KPA IMfESS angestoßen und entwickelt werden. Dazu fördern wir kleine richtungsweisende Projekte und Workshops.

Insbesondere sollen interdisziplinäre Projekte initiiert und entsprechende Professuren eingerichtet werden. Die Mathematik und die Informatik sollen sich als interdisziplinäre Forschung für die Erdwissenschaften entwickeln, wobei maschinelles Lernen, künstliche Intelligenz, effiziente Algorithmen und visuelle Analysen eine Rolle spielen. 

Außerdem soll die breitaufgestellte Infrastruktur weiter gestärkt werden: Die weltweit einzigartige Plattform für Geochronologie an der UzK, wo verschiedene Methoden die Datierungen von geologischem Material und somit die Rekonstruktion des vergangenen Klimas ermöglichen, genauso wie die Kompetenzzentren innerhalb des Geoverbundes ABC/J und weitere Infrastruktur für Atmosphärenforschung, in denen die Beobachtungen des aktuellen Klimas den Schwerpunkt bildet.

Auch eine Kooperation von Energiewirtschaft und Meteorologie (siehe auch ewi) soll mit Seminarreihen, gemeinsamen Forschungsarbeiten ausgebaut werden.

Für die Lehre wird der neue Master Studiengang Computational Sciences gefördert, und ein neuer Studiengang “Climate Sciences” soll zusammen mit der Universität Bologna und mit Hilfe des Partners CESOC aufgebaut werden. Die Kooperation mit der Informatik und Mathematik wird u.a. dadurch gefördert, indem im Bachelor-Studiengang Erd- und Klimaphysik der Einstieg in die Informatik einen Lehrinhalt darstellt und wiederum die Erd- und Klimaphysik als Nebenfach im Bachelor-Studiengang Informatik eine Rolle spielt. Auch interdisziplinäre Master- und Doktorarbeiten werden betreut. 

Zusätzlich werden wir mit der Graduiertenschule (GSGS) zusammenarbeiten, um deren Angebote um eine starke computergestützte Ausbildungskomponente erweitern zu können.

Im Zuge des Wissentransfers werden wir KPA-Themen einer breiten Öffentlichkeit nahe bringen und auch die Kooperation mit Schulen suchen.

Die initial beteiligten Institute/Einrichtungen gehören zur Universität zu Köln, drei Institute im Department der Geowissenschaften und zwei Institute im Department Mathematik / Informatik. Gastwissenschaftler*innen insbesondere durch das Global Faculty Program sowie Partnerinstitutionen erweitern den Kreis der beteiligten Wissenschaftler*innen. 

In der Universität zu Köln stehen mit dem Center for Data and Simulation Science (CDS) und dem Rechenzentrum (ITCC) Kapazitäten für Datenanalyse und Simulationen zur Verfügung.

Die Datenakquise findet an den verschiedensten Orten statt, z.B. in der Arktis innerhalb des Projektes AC3, in der Atacama-Wüste innerhalb des Projektes CRC1211, an der Kölner Wetterstation auf dem Uni Sport Gelände, in Jülich mit den Messgeräten aus dem Projekt ACTRIS bzw. JOYCE und in den Laboren der Geologie & Mineralogie sowie der Geographie und dem Cologne AMS. 

Mit den starken regionalen Partnern, d.h. der Universität Bonn sowie dem Forschungszentrum Jülich, hat die Universität zu Köln (UzK) bereits das Center for Earth System Observation and Computational analysis (CESOC) gegründet, das das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) mit der Forschung verbindet. Darüber hinaus gibt es weitere Infrastrukturen, wie die weltweit einzigartige Plattform für Geochronologie an der UzK (z.B. mit dem CologneAMS), sowie die Kompetenzzentren innerhalb des Geoverbundes ABC/J, wie das Isotope GeoScience Centre (IGSC4i) und das Cloud and Precipitation Exploration Laboratory (CPEX-LAB).

Die Ideen des KPA spielen bereits in laufenden Projekten (Verbundprojekte) eine zentrale Rolle und spiegeln sich auch in den direkt vom KPA IMfESS geförderten kleinen Projekten und Workshops wieder.