Can we develop a modular, multi-process, efficient landscape evolution model? Can we ensure that all algorithms are implicit and O(n) complexity so that they can be used to perform ensemble simulations or be coupled to large-scale tectonic models? Can we develop new mathematical formulations (partial differential equations) to represent a wide range of surface processes and associated physical/chemical features?

The Earth Surface Process Modeling section at the GFZ specializes in the development of state-of-the-art landscape evolution models that predict the evolution of the Earth’s surface geometry on geological time scales under a wide range of forcings. These processes include fluvial erosion, transport and deposition, glacial erosion, hill slope processes (including landslides), marine transport and deposition and the formation of the regolith by weathering. We have developed or improved differential equations to represent these processes as well as highly efficient numerical methods to solve them.

In particular, we have developed an implicit, O(n) complexity algorithm for solving the Stream Power Law, taking into account the effect of sediment transport and erosion and the variability of flow/discharge. We have also developed an O(n) complexity algorithm to compute flow path on a surface that contains arbitrary local minima (sinks). We have developed models for glacial erosion that are also implicit and O(n) as well as a regolith formation model that include the effect of the formation of hardened duricrust. More recently, we developed, in collaboration from colleagues at AWI, an arctic delta model.

We have also developed models to predict the evolution of biodiversity on an evolving landscape and a model for predicting grain size in a sedimentary system.

We are currently developing a modular modeling framework that allows to solve relevant differential equations on a flow graph with high efficiency and flexibility. This new framework (FastScapeLib) can be used on any spatial discretization (i.e., on 1D, regular or irregular 2D meshes and on a sphere) making use of simple local kernels with multi-processor efficiency.

Much of the programming effort is performed by Benoît Bovy, the section software engineer. Contributions are from many section members. Coordination is by Jean Braun.

Project duration: Ongoing project, started in 2016

Funding agencies: Internal funding mostly

Section researchers involved: Dr. Benoit Bovy, many section members and Prof. Jean Braun

Cooperations:

• University Sofia-Antipolis, France
• ETH Zurich, Switzerland
• University of Lausanne, Switzerland
• AWI
• University of Rennes, France

Können wir ein modulares, effizientes Landschaftsentwicklungsmodell mit mehreren Prozessen entwickeln? Können wir sicherstellen, dass alle Algorithmen implizit und von O(n)-Komplexität sind, so dass sie für Ensemblesimulationen oder zur Kopplung mit großskaligen tektonischen Modellen verwendet werden können? Können wir neue mathematische Formulierungen (partielle Differentialgleichungen) entwickeln, um ein breites Spektrum von Oberflächenprozessen und damit verbundenen physikalisch-chemischen Eigenschaften abzubilden?

Die Abteilung Modellierung von Erdoberflächenprozessen am GFZ hat sich auf die Entwicklung moderner Landschaftsentwicklungsmodelle spezialisiert, die die Entwicklung der Geometrie der Erdoberfläche auf geologischen Zeitskalen unter einer Vielzahl von Einflüssen vorhersagen. Dazu gehören fluviale Erosion, Transport und Ablagerung, glaziale Erosion, Hangprozesse (einschließlich Hangrutschungen), mariner Transport und Ablagerung sowie die Bildung von Regolith durch Verwitterung. Wir haben Differentialgleichungen zur Beschreibung dieser Prozesse und hocheffiziente numerische Methoden zu ihrer Lösung entwickelt oder verbessert.

Insbesondere haben wir einen impliziten Algorithmus mit der Komplexität O(n) zur Lösung des Strömungsgesetzes entwickelt, der die Auswirkungen des Sedimenttransports und der Erosion sowie die Variabilität des Abflusses berücksichtigt. Wir haben auch einen Algorithmus mit der Komplexität O(n) entwickelt, um den Fließweg auf einer Oberfläche zu berechnen, die beliebige lokale Minima (Senken) enthält. Wir haben Modelle für die Gletschererosion entwickelt, die ebenfalls implizit und O(n) sind, sowie ein Modell für die Regolithbildung, das die Auswirkungen der Bildung von verhärteter Hartkruste berücksichtigt. In jüngster Zeit haben wir in Zusammenarbeit mit Kollegen vom AWI ein Modell für arktische Deltas entwickelt.

Wir haben auch Modelle zur Vorhersage der Entwicklung der Biodiversität in einer sich entwickelnden Landschaft und ein Modell zur Vorhersage der Korngröße in einem Sedimentationssystem entwickelt.

Wir entwickeln derzeit ein modulares Modellierungsframework, das es erlaubt, die relevanten Differentialgleichungen auf einem Strömungsgraph mit hoher Effizienz und Flexibilität zu lösen. Dieser neue Rahmen (FastScapeLib) kann auf jeder räumlichen Diskretisierung (d.h. auf 1D, regelmäßigen oder unregelmäßigen 2D-Netzen und auf einer Kugel) unter Verwendung einfacher lokaler Kerne mit Multiprozessoreffizienz verwendet werden.

Ein Großteil der Programmierarbeit wird von Benoît Bovy, dem Software-Ingenieur der Sektion, geleistet. Viele Mitglieder der Sektion haben Beiträge geleistet. Die Koordination liegt bei Jean Braun.

Projektdauer: Laufendes Projekt, Beginn 2016

Finanzierung: Hauptsächlich interne Finanzierung

Beteiligte Forscher der Sektion: Dr. Benoit Bovy, zahlreiche Mitglieder der Sektion und Prof. Jean Braun

Kooperationen:

• Universität von Sofia-Antipolis, Frankreich
• ETH Zürich, Schweiz
• Universität Lausanne, Schweiz
• AWI
• Universität Rennes, Frankreich