Elektronik hilft Wie ein einziges KI-Weltmodell das Erdsystem simuliert

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Forschende des KIT entwickeln ein KI-Weltmodell, das globale Klima-, Wetter- sowie Umweltmodelle miteinander vereint, um solche Ereignisse weltweit präziser, schneller und energieeffizienter vorherzusagen als herkömmliche physikbasierende Simulationen auf Supercomputern.

Der globale Klimawandel verändert langfristig das Wetter und die Umwelt – weltweit wie lokal. Die Folgen reichen von häufigeren Extremereignissen bis zu tiefgreifenden Auswirkungen wie dem Zusammenbruch ganzer Ökosysteme. „Mit numerischen Klima-, Wetter- und Umweltmodellen lassen sich heute viele Teilaspekte dieser Entwicklungen relativ konsistent auf verschiedenen Zeit- und Raumskalen abbilden“, sagt Tenure-Track Professor Peer Nowack vom Institut für Theoretische Informatik des KIT und Koordinator des Projekts.

„Moderne KI-Methoden wiederum bieten das Potenzial, entweder solche Modelle kostengünstig zu emulieren, also nachzuahmen, oder sogar direkt Zusammenhänge aus Beobachtungsdaten zu erlernen. Damit erzielen sie beispielsweise in der Wettervorhersage mittlerweile oft bessere Ergebnisse. Dies bietet große Chancen für die gesamte Umweltmodellierung.“

Im Projekt „WOW – a World model of Our World“ gehen Nowack und sieben weitere KIT-Forschende nun noch einen Schritt weiter: Sie untersuchen, wie sich mehrere solcher KI-Modelle für verschiedene Prozesse im Erdsystem über räumliche und zeitliche Skalen hinweg zu einem einzigen KI-System koppeln lassen. Dafür wollen sie einen Ansatz aus der Informatik verfolgen, der es erlaubt, die verschiedenen Modelle zu verknüpfen – zu einem KI-Weltmodell.

Wie das KI-Weltmodell entsteht

Mit WOW entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler also Methoden, die verschiedene KI-Modelle miteinander verbinden können. Dazu zählen unter anderem Emulatoren für globale Klimamodelle, KI-basierende Wettermodelle sowie Modelle, die lokale Phänomene wie Waldbrände oder Überschwemmungen abbilden. Ziel ist es, diese bislang getrennten Systeme zu einer durchgängigen Prozesskette zu verknüpfen, um die lokalen Auswirkungen der globalen Veränderungen noch konsistenter darzustellen. Um diese Fortschritte zu ermöglichen, braucht es insbesondere auch Neuentwicklungen in der KI-Methodik.

Durch die Kopplung der unterschiedlichen Modelle wollen die Forschenden zudem das Zusammenspiel von Atmosphäre, Wasser und Landoberfläche besser verstehen. „Uns interessiert, wie sich Veränderungen in einem Teil des Erdsystems auf andere Bereiche auswirken – etwa, wie Dürren oder veränderte Wolkenbildung Rückkopplungen im Klima auslösen“, sagt Professorin Almut Arneth vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Atmosphärische Umweltforschung, dem Campus Alpin des KIT in Garmisch-Partenkirchen, die ebenfalls im Forschungsprojekt mitarbeitet. „Es ist möglich, dass wir so bislang verborgene Zusammenhänge des Klimawandels sichtbar machen.“

Auch für andere Wissensgebiete relevant

Schon mittelfristig könnte das neue KI-Weltmodell dabei helfen, Risiken besser einzuschätzen – und fundierte Entscheidungen für Klimaschutz und Anpassung zu treffen. „Unsere Methoden könnten perspektivisch außerdem in anderen Naturwissenschaften Anwendung finden, in denen anspruchsvolle Systeme modelliert werden“, erläutert Dr. Markus Götz vom Scientific Computing Center des KIT, ein weiterer Wissenschaftler im Projekt. „Wenn wir lernen, KI-Modelle effizient zu koppeln, können wir komplexe Zusammenhänge schneller und präziser verstehen. Außerdem können wir Beobachtungsdaten viel direkter in den Modellierungsprozess einbinden. Das bietet insgesamt großartige Chancen für die Wissenschaft.“ Die Carl-Zeiss-Stiftung fördert das Projekt WOW für fünf Jahre mit insgesamt sechs Millionen Euro. (mk)

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