Mission & Vision

Unser Erdsystem erfüllt wesentliche Funktionen, ohne die wir auf unserem Planeten nicht überleben können. Trotz seiner enormen Komplexität ist das Erdsystem anfällig und wird durch menschliche Aktivitäten in Schlüsselbereichen an seine Grenzen gebracht. Diese Überlastung des Erdsystems äußert sich beispielsweise in einer zunehmenden Zahl extremer Wetterereignisse, einem fortschreitenden Verlust der biologischen Vielfalt und anderen für uns unverzichtbaren Ökosystemleistungen. Die systematische Erforschung der daraus resultierenden Auswirkungen sowie von Vermeidungs- oder Anpassungsstrategien ist die zentrale Herausforderung für die Erdsystemwissenschaft im 21. Jahrhundert. 
Das KPA „Intelligente Methoden für die Erdsystemwissenschaften“ (IMfESS) zielt darauf ab, die Prozesse und Zusammenhänge vergangener, gegenwärtiger und vor allem zukünftiger Veränderungen im komplexen, gekoppelten Erdsystem besser zu verstehen, um wissenschaftlich fundierte und vor allem verlässliche Empfehlungen aussprechen zu können.
Dafür steht eine neue Generation von Werkzeugen und Methoden zur Verfügung: Einerseits neuartige Ansätze zur Beobachtung des Erdsystems und hochauflösende experimentelle Daten, andererseits Simulationen und Analysen unter Verwendung intelligenter Berechnungsmethoden wie maschinelles Lernen und effiziente Algorithmen. In der Informatik und Mathematik entwickeln wir solche neuen Methoden oft unabhängig von einer konkreten Anwendung. Im Rahmen des KPA IMfESS fördern wir die interdisziplinäre Zusammenarbeit, d. h. wir streben eine enge Verbindung zwischen den Erdsystemwissenschaften, angrenzenden Naturwissenschaften, der Informatik und der Mathematik an.

Stärken und zukünftiges Potential

Unsere Stärke ist eine einzigartige Kooperation zwischen Erdsystemwissenschaften und Computerwissenschaften. Einen großen Anteil daran haben unsere starken Partner CESOC und damit auch das ECMWF. Im Wintersemester 25/26 hat ein besonderes “Semester of Algorithmic Earth System Sciences” stattgefunden, wobei zahlreiche Workshops erfolgreich durchgeführt worden sind. Auch das Kick-off-Meeting und eine öffentliche Podiumsdiskussion waren gut besucht. Wir fördern die Entwicklung und Etablierung des neuen Feldes der Algorithmic Earth System Sciences.

Die Zusammenarbeit spiegelt sich auch in der Lehre wieder: Im B.Sc. und M.Sc. der Informatik wird das Nebenfach “Erdsystemwissenschaften” angeboten und die Studierenden im B.Sc. Erd- und Klimaphysik werden bereits im 1.Semester mit Programmierung konfrontiert. Auch der interdisziplinäre Masterstudiengang “Computational Sciences” und die erste Professur “Computational Earth System Sciences” sind an der Universität zu Köln eingerichtet. Im geplanten Masterstudiengang “Climate Sciences“ werden die Computerwissenschaften ebenfalls eine Rolle spielen.

Im Laufe verschiedener Verbundprojekte, wie z.B. "Earth - Evolution at the dry limit" und  "Human and Earth System Coupling Research (HESCOR)” hat sich eine starke Kollaboration zwischen Archäologie, Biologie und den Erdsystemwissenschaften herausgebildet, die wir weiter fördern. Mit neuen Professuren kommt noch die Energiewirtschaft hinzu, die ein wichtiges Anwendungsfeld für Meteorologie und Geophysik darstellt.

Außerdem soll die breit aufgestellte 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.

Erfolgsgeschichten

VW-Stiftung

Passend zu der Strategie des KPA IMfESS ist bei der Volkswagen-Stiftung das Projekt “Soil and landscape dynamics - Quantifying processes in Earth's Critical Zone“ eingeworben worden. Über 6 Jahre wird eine Junior-Professur, JProf. Svenja Riedesel, inklusive einer Arbeitsgruppe gefördert. Diese Arbeitsgruppe von Svenja Riedesel ”Critical Zone Research" ist hervorragend geeignet, um im interdisziplinären Feld der Erdsystemwissenschaften zu forschen. Das KPA fördert nun das interdisziplinäre Projekt “Critical Zone Research in the polar region – Svalbard” , bei dem die Geographin Svenja Riedesel mit der Meteorologin Eva Pfannerstill und der Geobiologin Christine Heim zusammenarbeiten wird.

Reinhart Koselleck-Projekt

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat den Kölner Forschenden Professorin Dr. Susanne Crewell vom Institut für Geophysik und Meteorologie und Professor Dr. Christian Sohler vom Institut für Informatik ein gemeinsames Reinhart Koselleck-Projekt bewilligt. Unter dem Titel „Sublineare Algorithmen für die Meteorologie“ befasst sich das Projekt über einen Zeitraum von fünf Jahren mit der Frage, wie neueste algorithmische Verfahren aus der Informatik weiterentwickelt werden können, um sehr große Datenmengen in der Meteorologie zu analysieren und damit Fortschritte bei der Wolkenmodellierung zu erzielen. Die Fördersumme beträgt 1,25 Mio Euro. Reinhart Koselleck-Projekte werden ausschließlich an Forschende vergeben, deren Lebenslauf sich durch herausragende wissenschaftliche Leistungen auszeichnet. Gefördert wird besonders innovative und im positiven Sinne risikobehaftete Forschung.

Beteiligte Personen, Gruppen und Partner

Fünf Institute der Universität zu Köln, drei Institute im Department der Geowissenschaften und zwei Institute im Department Mathematik / Informatik, sind initial im Kernprofilbereich “Intelligente Methoden für die Erdsystemwissenschaften” beteiligt. 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.

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 Forschungsinfrastrukturen, 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.