Der Klimawandel beeinflusst weltweit Wetter, Vegetation und Ökosysteme. Extremereignisse wie Dürren, Überschwemmungen oder Waldbrände treten häufiger auf und erfordern ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Wechselwirkungen im Erdsystem.

Im Projekt „WOW – a World model of Our World“ entwickeln Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ein KI-Weltmodell, das Klima-, Wetter- und Umweltprozesse in einem gemeinsamen System abbilden soll. Ziel ist es, globale Veränderungen und ihre lokalen Auswirkungen schneller, präziser und energieeffizienter zu simulieren als mit bewährten physikbasierten Ansätzen.

KI als Werkzeug für die Klimamodellierung

„Mit numerischen Klima-, Wetter- und Umweltmodellen lassen sich heute viele Teilaspekte dieser Entwicklungen relativ konsistent auf verschiedenen Zeit- und Raumskalen abbilden. 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“, so Tenure-Track-Professor Peer Nowack vom Institut für Theoretische Informatik des KIT und Koordinator des Projekts.

Ein vernetztes KI-Weltmodell

Das Projekt untersucht, wie sich verschiedene KI-Modelle, die einzelne Prozesse des Erdsystems beschreiben, zu einem einzigen, übergreifenden System koppeln lassen. Ziel ist ein integriertes KI-Weltmodell, das Wechselwirkungen zwischen globalen und lokalen Prozessen – beispielsweise zwischen Atmosphären, Wasser und Landoberfläche – konsistent abbildet.

„Uns interessiert, wie sich Veränderungen in einem Teil des Erdsystems auf andere Bereiche auswirken – etwa, wie Dürren oder veränderte Wolkenbildung Rückkopplungen im Klima auslösen. Es ist möglich, dass wir so bislang verborgene Zusammenhänge des Klimawandels sichtbar machen“, sagte Professorin Almut Arneth vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Atmosphärische Umweltforschung, dem Campus Alpin des KIT in Garmisch-Partenkirchen.

Dazu verknüpfen die Forschenden KI-Modelle unterschiedlicher Komplexität: Emulatoren globaler Klimamodelle, KI-basierte Wettermodelle sowie Modelle für lokale Phänomene wie Waldbrände, Überschwemmungen oder Dürren. Die Entwicklung erfordert neue methodische Ansätze, um Daten aus verschiedenen Skalen und Systemen effizient zu kombinieren.

Anwendungsmöglichkeiten und Perspektiven

Langfristig soll das KI-Weltmodell dazu beitragen, Risiken des Klimawandels genauer einzuschätzen und Entscheidungen in Klimaschutz und Anpassungsstrategien wissenschaftlich fundiert zu unterstützen.

„Unsere Methoden könnten perspektivisch außerdem in anderen Naturwissenschaften Anwendung finden, in denen anspruchsvolle Systeme modelliert werden. 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“, betonte Dr. Markus Götz vom Scientific Computing Center des KIT.

Die Carl-Zeiss-Stiftung fördert das Projekt über fünf Jahre mit sechs Millionen Euro.