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