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Neue Programmiersprachen für die Ozeanmodellierung

08.05.2019

Software-Ingenieure an der Uni Kiel wollen neue domänenspezifische Sprachen (DSL) für Klima- und Ozeanmodelle entwickeln

In der Ozean- und Klimaforschung werden unterschiedliche, computergestützte Modelle genutzt, um den Ozean zu beschreiben und die zukünftige Entwicklung des größten Lebensraums der Erde vorherzusagen. Ziel ist es etwa, das Klimasystem, die Ozeanströmungen oder den Einfluss des Eintrags von Kohlenstoff in Ozean und Atmosphäre zu verstehen und aus verfügbaren Daten der Vergangenheit und Gegenwart möglichst belastbare Aussagen über die Zukunft zu erhalten.

Wesentliche Voraussetzungen für diese Modelle sind enorme Rechnerkapazitäten und idealerweise auch spezifische Programmiersprachen und Softwarelösungen, die komplexe physikalische, chemische und biologische Prozesse effektiv und effizient in Simulationen umsetzen. Bisher werden dafür jedoch selten spezielle und auf die Bedürfnisse der naturwissenschaftlich Forschenden zugeschnittene Programmiersprachen, sogenannte domänenspezifische Sprachen (DSL) eingesetzt.

Diese Lücke will ein neues Forschungsprojekt unter der Leitung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) nun schließen. Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit rund 580.000 Euro geförderten Projektes „OceanDSL – Domain-Specific Languages for Ocean Modeling and Simulation“ werden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in den kommenden drei Jahren spezifische Sprachen entwickeln, die es Meeresforschenden erlauben, ihre komplexen Simulationen weiterzuentwickeln und Fehlerquellen zu minimieren.

Kooperationspartner des Projekts ist das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel. OceanDSL wird im Herbst 2019 unter dem Dach des Forschungsschwerpunkt Kiel Marine Science (KMS) an der CAU starten.

Klimavorhersagen oder Simulationen über die zukünftige Entwicklung von physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen im Ozean beruhen auf einem engen Zusammenspiel von Echtzeit-Daten, die Meeresforschende etwa auf Expeditionen gewinnen, und auf Modellen, in denen Forschende am Computer mithilfe mathematischer Gleichungen das System Ozean oder das Klima beschreiben. Ein Beispiel sind biogeochemische Modellierungen am GEOMAR, die in den vergangenen Jahren zu einem deutlich verbesserten Verständnis des Kohlenstoffkreislaufes und der Sauerstoffversorgung im Ozean geführt haben. Um weiter die Qualität dieser und anderer Modelle zu steigern und die Produktivität zu erhöhen, arbeiten Forschende aus dem Bereich des Software-Engineering an der Universität Kiel zukünftig gemeinsam mit Modelliererinnen und Modellierern am GEOMAR und an der CAU im Forschungsprojekt OceanDSL an passgenauen Lösungen.

„Unser Ziel ist es, eine spezifische Infrastruktur für die biogeochemische Modellierung und Simulation zu entwickeln, die es der Forschung erlaubt, sich auf ihre jeweiligen fachlichen Fragen zu konzentrieren ohne sich mit den Details herkömmlicher Programmiersprachen befassen zu müssen“, sagt Professor Wilhelm Hasselbring, Leiter der Software Engineering Group an der Universität Kiel und Koordinator von OceanDSL. „An der CAU haben wir dafür alle Voraussetzungen und können auf eine vertrauensvolle, langjährige Zusammenarbeit mit dem GEOMAR zurückblicken“, so Hasselbring weiter.

Prognosen über die Veränderungen des Ozeans werden immer wichtiger. Ob Einschätzungen zum Anstieg des Meeresspiegels, des CO2-Eintrags in das Meerwasser und Atmosphäre oder die Entwicklung der Ozeanzirkulation – Gesellschaft, Politik und Wirtschaft planen aufgrund wissenschaftlicher Erkenntnisse Anpassungsmaßnahmen. Interdisziplinäre Projekte wie OceanDSL tragen diesen Anforderungen Rechnung. Assoziierte Anwendungspartner am GEOMAR sind die Forschungsbereiche Ozeandynamik, Maritime Meteorologie und Marine Biogeochemie sowie an der CAU das Institut für Informatik und die Arbeitsgruppe „Algorithmische Optimale Steuerung (CO2-Aufnahme des Meeres).

Das DFG-Projekt OceanDSL stärkt den Forschungsschwerpunkt Kiel Marine Science (KMS) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Kiel Marine Science (KMS) koordiniert und fördert die fakultäts- und fachübergreifend die Auseinandersetzung mit meereswissenschaftlichen Themen an der CAU.

Der marine Forschungsschwerpunkt wird dabei getragen durch die wissenschaftlichen Aktivitäten von sieben Fakultäten und 39 Forschergruppen aus den Natur-, den Sozial-, den Rechts- und Wirtschaftswissenschaften. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler leisten einen Beitrag zum Verständnis der Prozesse im Ozean in der Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft und tragen zur Entwicklung von Strategien für die nachhaltige Nutzung des Ozeans bei.
 
Links
www.se.informatik.uni-kiel.de (Software-Engineering-Group der CAU)
http://www.kms.uni-kiel.de (über den CAU-Forschungsschwerpunkt Kiel Marine Science/KMS)