Eine nachhaltige Nutzung der globalen hydrologischen Modellierungssoftware WaterGAP

Description: WaterGAP ist eine globale hydrologische Simulationssoftware zur Berechnung von Wasserflüssen und -speicherung auf allen Kontinenten der Erde. Sie wird verwendet, um Wasserverfügbarkeit und Wasserstress für Menschen und andere Biota weltweit zu bestimmen. In zahlreichen Studien wurde WaterGAP genutzt, um z.B. den Einfluss des Klimawandels auf Bewässerungsbedarf, ökologisch relevante Durchflusscharakteristika, Grundwasserneubildung und auf Wasserressourcen im Allgemeinen zu erforschen. Resultate aus diesen Studien sind in IPCC-Berichte eingegangen. WaterGAP nimmt unter den hydrologischen Modellen weltweit eine Führungsrolle ein. Allerdings wurde die Software über mehr als 20 Jahre von mehreren Doktoranden und Postdocs verändert und befindet noch sich immer in einem Prototypstadium. Die Software wurde nie grundlegend überarbeitet oder auf Grundlage einer sorgfältig geplanten Software-Architektur entwickelt. Es handelt sich eher um eine Ansammlung von Dateien mit jeweils fast 10.000 Code-Zeilen, ohne eine konsequente Modularisierung. Es ist es uns daher aktuell nicht möglich, die Software anderen Forschern zur Verfügung zu stellen, damit sie Ergebnisse replizieren und verstehen können oder die Software für eigene Forschung zu erweitern. Auch Modellveränderungen und Erweiterungen durch unsere beiden Gruppen sind herausfordernd und kosten Zeit. Gerade wegen der wichtigen Forschungsergebnisse bezüglich der Beurteilung und Projektion von globalen Wasserressourcen wäre eine Replikation der Ergebnisse durch Dritte unbedingt notwendig, was eine deutliche Verbesserung der Softwarequalität voraussetzt. Projektziel ist es. die Forschungssoftware in einer modernen Programmiersprache neu zuschreiben und ausführlich zu dokumentieren. Zudem soll die räumliche Auflösung flexibel anpassbar sein. Die resultierende Software soll testbar, wartbar, erweiterbar und durch Dritte nutzbar und erweiterbar sowie gründlich getestet sein. Die Neuentwicklung wird mit einem angepassten Scrum-Prozess durchgeführt und die Planung der Software Architektur wird auf Grundlage des IEEE 1016-2009 Dokuments erstellt. Mehrere Methoden werden genutzt um nachhaltig die Qualität der Software intern und externe zu steuern. Dieses Projekt wird anderen Forschern erlauben unser globales hydrologisches Modell selbst auszuführen, Ergebnisse zu replizieren oder die Einflüsse von Modifikationen in den Eingabedaten und Algorithmen zu untersuchen. Die Forschergemeinschaft kann so algorithmische Ansätze vergleichen, unserer Ergebnisse überprüfen und auch Fehler in unserer Software identifizieren. Um die Berichterstattung und Zusammenarbeit so einfach wie möglich zu gestalten setzen wir auf die etablierte Plattform github. Auch werden wir von automatisierten Tests und Benchmarkszenarien Gebrauch machen. Dies wird nicht nur dazu beitragen die Forschungssoftware WaterGAP effizienter zu nutzen und wissenschaftliche Ergebnisse robuster machen, sondern auch den wissenschaftlichen Fortschritt beschleunigen.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Grundwasserneubildung ? Hydrogeologie ? Software ? Wasserstress ? Wasserverfügbarkeit ? Architektur ? Geographie ? Hydrochemie ? Limnologie ? Siedlungswasserwirtschaft ? Studie ? Hydrologie ? Klimawandel ? Wasserressourcen ? Integrated Water Resources Management ? Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung ? Physical Geography ? Programmiersprachen ? Programming Languages ? Software Engineering ? Softwaretechnik ? Urban Water Management ? Water Chemistry ?

Region: Hessen Nordrhein-Westfalen

Bounding boxes: 9° .. 9° x 50.55° .. 50.55° 6.76339° .. 6.76339° x 51.21895° .. 51.21895°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main, Institut für Physische Geographie, Arbeitsgruppe Hydrologie (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)
• Universität Bochum, Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Lehrstuhl für Ingenieurhydrologie und Wasserwirtschaft (Projektverantwortung)

Time ranges: 2021-01-01 - 2025-10-02

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Towards a sustainable utilization of the global hydrological modelling software WaterGAP
  Description: WaterGAP is a global-scale hydrological simulation software that is for quantifying water flows and storages on all continents of the Earth. It is used for assessing water availability and water stress for both humans and non-human biota. In numerous studies, WaterGAP was applied to simulate the impact of climate change on e.g. irrigation water requirements, ecologically-relevant streamflow characteristics, groundwater recharge and water resources; simulation results were included in IPCC reports. WaterGAP has a leading role among global hydrological models. However, the research software, which has been modified by many PhD and postdoc researchers over more than 20 years, is still in a prototype state. It has never been refactored to fit a carefully planned software architecture and software documentation is very limited. The software resembles a collection of “script-like” files that each have close to 10,000 lines of code without any separation of concerns. It is therefore currently not possible to hand the software to researchers from other groups to replicate and understand the results or to extend the product for their own research. Even model improvements and extension by our groups are difficult. Due to the complexity of global hydrological models and the importance of the assessments and projections related to water resources it is essential to have research software that is of a quality that enables the reproducibility of results. The project goal is to rewrite the software with a modular structure using a modern programming language and providing extensive documentation. Additionally, the code should allow to flexibly change the spatial resolution of WaterGAP. The resulting software is to be testable, maintainable, extensible, and usable and thoroughly tested while maintaining the current computational performance. Rewriting will be done using an adapted scrum method, while designing the software architecture following the IEEE standard 1016-2009. A number of methods will be used to ensure internal and external quality management and to increase external usage of the resulting software product. Then, it will be possible for other researchers to run our global hydrological modelling software by themselves, to reproduce our results or investigate the impact of data and algorithm modifications on the results. The research community can compare algorithms, check the consistency and accuracy of our computational approach and find possible errors in the software more easily. For a quick and reliable reporting of such errors, we intent to make use of github for collaboration, automated testing and benchmark scenarios. This will not only enable others to use the research software more efficiently and make scientific results more reliable; a software that is extensible and maintainable also enables quicker scientific advances as new researchers spend less time understanding the code and writing new code. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1138794

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/443183317 (Webseite)

Status

Aktiv

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